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摘 要
本文簡要介紹了工業(yè)機器人的概念，機械手的組成、分類、意義和歷史，澆注機械手硬件和軟件的組成，澆注機械手各個部件的整體尺寸設計。本文著重對機械手進行總體方案設計，確定了機械手的坐標形式和自由度，設計了了機械手的傳動并計算出傳動比，設計了機械手的手部結構，設計了機械手的手臂結構,確定了壓鑄成型設備的取料相關機構的各種參數計算和分析，確定了壓鑄成型設備的取料相關零件材料的選用及其工藝分析，確定了驅動手臂與手部所需的電機功率，確定了機械手的基本技術參數。同時，設計出了機械手的PLC控制系統，繪制了取料機械手的工作原理圖，展示了取料機械手的基本性能，校核了部分零部件的強度和使用壽命。
關鍵詞：工業(yè)機器人；機械手；澆注機械手
Abstract?
This paper briefly introduces the concept of industrial robots, robot composition, classification, the significance and history of pouring manipulator of the hardware and software composition, pouring manipulator overall dimensions of the parts design. Manipulator overall scheme design, this paper determined forms and degrees of freedom, the coordinates of the manipulator design able to drive of the manipulator and compute the transmission ratio, the design of the manipulator hand structure, design of the manipulator arm structure, determine the reclaimer, die-casting molding equipment parameter calculation and analysis of related institutions, determine the reclaimer, die-casting molding equipment related and technology analysis, material selection of parts to determine the driving arm and hand the required motor power, to determine the basic technical parameters of manipulator. At the same time, design the PLC control system of the manipulator, mapped the picking manipulator, the working principle diagram, shows the basic properties of the picking manipulator, check the part of the strength of the parts and service life.
Key Words:?industrial robot；manipulator pump；air pressure drive
目 錄
引言 1
1 緒論 2
1.1 機械手的分類 2
1.1.1簡史 2
1.1.2應用簡況 3
1.1.3發(fā)展趨勢 3
1.2 機械手的組成 4
1.2.1執(zhí)行機構 5
1.2.2驅動機構 6
1.2.3控制系統 6
1.2.4行程位置檢測裝置 6
1.3 應用機械手的意義 6
1.4 課題的提出及主要任務 7
1.4.1課題的提出 7
1.4.2課題的主要任務 7
2 總體技術方案及系統組成 8
2.1 原始數據 8
2.2 工作需要 8
2.3 工作結構 9
2.4 系統組成 9
2.5 動作分析 9
2.6 總體技術方案 9
2.6.1執(zhí)行機構的確定 9
2.6.2傳動機構的確定 10
2.6.3驅動機構的確定 12
2.6.4控制系統的確定 13
2.6.5行程位置檢測裝置的設置 13
3 電機的選擇 15
3.1 選擇電動機的類型和結構 15
3.2 選擇電機的型號和參數 16
3.3 設計傳動裝置的總傳動比及分配各級傳動比 19
3.4 計算傳動裝置的運動和動力參數 19
3.4.1驅動電機到軸 19
3.4.2驅動電機到軸 20
3.4.3驅動電機到軸 20
3.4.4驅動電機到軸 20
4 手部的設計....................................................................................................20
5 手臂及底座的設計 21
5.1 手臂的設計 21
5.2 手臂保持架及底座的設計 22
6 鏈傳動的設計與鏈輪尺寸結構的設計 23
6.1 驅動電機到軸的第一級鏈傳動 23
6.1.1初始條件 23
6.1.2設計過程 23
6.1.3鏈輪的尺寸結構設計 26
6.2 軸驅動電機到軸的第二級鏈傳動 28
6.2.1初始條件 29
6.2.2設計過程 29
6.2.3鏈輪的尺寸結構設計 29
6.3 驅動電機到軸的鏈傳動 30
6.3.1初始條件 30
6.3.2設計過程 30
6.3.3鏈輪的尺寸結構設計 31
7 軸的設計與校核及零件的選擇與校核 32
7.1初步確定軸的最小直徑 32
7.2 軸的結構設計 35
7.3 軸上零件的周向定位 37
7.4 確定軸上圓角和倒角尺寸 37
7.5 對軸驅動電機所連軸進行校核 38
7.6 對軸驅動電機所連軸上的軸承進行校核 40
7.7 對軸驅動電機所連軸上的鍵連接進行校核 42
8 結論 44
謝 辭 45
參考文獻 46
引言
機械工業(yè)是國民的裝備部,是為國民經濟提供裝備和為人民生活提供耐用消費品的產業(yè)。不論是傳統產業(yè)，還是新興產業(yè)，都離不開各種各樣的機械裝備，機械工業(yè)所提供裝備的性能、質量和成本，對國民經濟各部門技術進步和經濟效益有很大的和直接的影響。機械工業(yè)的規(guī)模和技術水平是衡量國家經濟實力和科學技術水平的重要標志。因此，世界各國都把發(fā)展機械工業(yè)作為發(fā)展本國經濟的戰(zhàn)略重點之一。工業(yè)機械手是近幾十年發(fā)展起來的一種高科技自動化生產設備。工業(yè)機械手的是工業(yè)機器人的一個重要分支。它的特點是可通過編程來完成各種預期的作業(yè)任務，在構造和性能上兼有人和機器各自的優(yōu)點，尤其體現了人的智能和適應性。機械手作業(yè)的準確性和各種環(huán)境中完成作業(yè)的能力，在國民經濟各領域有著廣闊的發(fā)展前景。機械手是在機械化，自動化生產過程中發(fā)展起來的一種新型裝置。在現代生產過程中，機械手被廣泛的運用于自動生產線中，機械人的研制和生產已成為高技術鄰域內，迅速發(fā)殿起來的一門新興的技術，它更加促進了機械手的發(fā)展，使得機械手能更好地實現與機械化和自動化的有機結合。
1 緒論
機械手雖然目前還不如人手那樣靈活，但它具有能不斷重復工作和勞動，不知疲勞，不怕危險，抓舉重物的力量比人手力大的特點，因此，機械手已受到許多部門的重視，并越來越廣泛地得到了應用。機械手技術涉及到力學、機械學、電氣液壓技術、自動控制技術、傳感器技術和計算機技術等科學領域，是一門跨學科綜合技術。機械手是一種能自動化定位控制并可重新編程序以變動的多功能機器，它有多個自由度，可用來搬運物體以完成在各個不同環(huán)境中工作。
1.1 機械手的分類
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)定的操作。它的特點是具備普通機械的性能之外，還具備通用機械、記憶智能的三元機械。第二類是需要人工才做的，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)展到用無線電訊號操作機來進行探測月球等。工業(yè)中采用的鍛造操作機也屬于這一范疇。第三類是用專用機械手，主要附屬于自動機床或自動線上，用以解決機床上下料和工件送。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；除少數以外，工作程序一般是固定的，因此是專用的。在國外，目前主要是搞第一類通用機械手，國外稱為機器人。本課題所做的機械手是屬于第三類機械手。
1.1.1簡史
機械手首先是從美國開始研制的。1958年美國聯合控制公司研制出第一臺機械手。它的結構是：機體上安裝一個回轉長臂，頂部裝有電磁塊的工件抓放機構，控制系統是示教形的。
1962年，美國聯合控制公司在上述方案的基礎上又試制成一臺數控示教再現型機械手。商名為Unimate（即萬能自動）。運動系統仿照坦克炮塔，臂可以回轉、俯仰、伸縮、用液壓驅動；控制系統用磁鼓作為存儲裝置。不少球坐標通用機械手就是在這個基礎上發(fā)展起來的。同年該公司和普魯曼公司合并成立萬能自動公司,專門生產工業(yè)機械手。
1962年美國機械制造公司也實驗成功一種叫Vewrsatran機械手。該機械手的中央立柱可以回轉、升降采用液壓驅動控制系統也是示教再現型。雖然這兩種機械手出現在六十年代初，但都是國外工業(yè)機械手發(fā)展的基礎。
1978年美國Unimate公司和斯坦福大學，麻省理工學院聯合研制一種Unimate-Vicarm型工業(yè)機械手，裝有小型電子計算機進行控制，用于裝配作業(yè)，定位誤差小于±1毫米。聯邦德國機械制造業(yè)是從1970年開始應用機械手，主要用于起重運輸、焊接和設備的上下料等作業(yè)。
聯邦德國KnKa公司還生產一種點焊機械手，采用關節(jié)式結構和程序控制。
日本是工業(yè)機械手發(fā)展最快、應用最多的國家。自1969年從美國引進兩種機械手后大力從事機械手的研究。
前蘇聯自六十年代開始發(fā)展應用機械手，至1977年底，其中一半是國產，一半是進口。
目前，工業(yè)機械手大部分還屬于第一代，主要依靠工人進行控制；改進的方向主要是降低成本和提高精度。
第二代機械手正在加緊研制。它設有微型電子計算控制系統，具有視覺、觸覺能力，甚至聽、想的能力。研究安裝各種傳感器，把感覺到的信息反饋，是機械手具有感覺機能。
第三代機械手則能獨立完成工作中過程中的任務。它與電子計算機和電視設備保持聯系，并逐步發(fā)展成為柔性制造系統FMS和柔性制造單元FMC中的重要一環(huán)。
1.1.2應用簡況
現代工業(yè)中，生產過程的機械化，自動化已成為突出的主題?；さ冗B續(xù)性生產過程的自動化已基本得到解決。但在機械工業(yè)中，加工、裝配等生產是不連續(xù)的。因此，裝卸、搬運等工序機械化的迫切性，工業(yè)機械手就是為實現這些工序的自動化而產生的。有資料統計：美國偏重于毛坯生產，日本偏重于機械加工。隨著機械手技術的發(fā)展，應用的對象還會有所改變。機械手在鍛造工業(yè)中的應用能進一步發(fā)展鍛造設備的生產能力，改善熱、累等勞動條件。國內機械手工業(yè)、鐵路工業(yè)中首先在單機、專機上采用機械手上下料，減輕工人的勞動強度。國外鐵路工業(yè)中應用機械手以加工鐵路車軸、輪等大、中批零件。并和機床共同組成一個綜合的數控加工系統。采用機械手進行裝配更始目前研究的重點，國外已研究采用攝象機和力傳感裝置和微型計算機連在一起，能確定零件的方位達到鑲裝的目的。
1.1.3發(fā)展趨勢
目前工業(yè)機械手主要用于機床加工、鑄造、熱處理等方面，無論數量、品種和性能方面還是不能滿足工業(yè)發(fā)展的需要。在國內主要是逐步擴大應用范圍，重點發(fā)展鑄造、熱處理方面的機械手，以減輕勞動強度，改善作業(yè)條件，在應用專用機械手的同時，相應的發(fā)展通用機械手，有條件的還要研制示教式機械手、計算機控制機械手和組合機械手等。將機械手各運動構件，如伸縮、擺動、升降、橫移、俯仰等機構以及根據不同類型的加緊機構，設計成典型的通用機構，所以便根據不同的作業(yè)要求選擇不同類型的基加緊機構，即可組成不同用途的機械手。既便于設計制造，有便于更換工件，擴大應用范圍。同時要提高速度，減少沖擊，正確定位，以便更好的發(fā)揮機械手的作用。
此外還應大力研究伺服型、記憶再現型，以及具有觸覺、視覺等性能的機械手，并考慮與計算機連用，逐步成為整個機械制造系統中的一個基本單元。
在國外機械制造業(yè)中工業(yè)機械手應用較多，發(fā)展較快。目前主要用于機床、橫鍛壓力機的上下料，以及點焊、噴漆等作業(yè)，它可按照事先指定的作業(yè)程序來完成規(guī)定的操作。
此外，國外機械手的發(fā)展趨勢是大力研制具有某種智能的機械手。使它具有一定的傳感能力，能反饋外界條件的變化，作相應的變更。如位置發(fā)生稍許偏差時，即能更正并自行檢測，重點是研究視覺功能和觸覺功能。目前已經取得一定成績。視覺功能即在機械手上安裝有電視照相機和光學測距儀（即距離傳感器）以及微型計算機。工作是電視照相機將物體形象變成視頻信號，然后送給計算機，以便分析物體的種類、大小、顏色和位置，并發(fā)出指令控制機械手進行工作。觸覺功能即是在機械手上安裝有觸覺反饋控制裝置。工作時機械手首先伸出手指尋找工作，通過安裝在手指內的壓力敏感元件產生觸覺作用，然后伸向前方，抓住工件。手的抓力大小通過裝在手指內的敏感元件來控制，達到自動調整握力的大小?？傊?，隨著傳感技術的發(fā)展機械手裝配作業(yè)的能力也將進一步提高。更重要的是將機械手、柔性制造系統和柔性制造單元相結合，從而根本改變目前機械制造系統的人工操作狀態(tài)。
1?.2 機械手的組成
機械手主要由執(zhí)行機構、驅動機構和控制系統三大部分組成。手部是用來抓持工件（或工具）的部件，根據被抓持物件的形狀、尺寸、重量、材料和作業(yè)要求而有多種結構形式，如夾持型、托持型和吸附型等。運動機構，使手部完成各種轉動（擺動）、移動或復合運動來實現規(guī)定的動作，改變被抓持物件的位置和姿勢。運動機構的升降、伸縮、旋轉等獨立運動方式，稱為機械手的自由度。為了抓取空間中任意位置和方位的物體，需有6個自由度。自由度是機械手設計的關鍵參數。自由度越多，機械手的靈活性越大，通用性越廣，其結構也越復雜。一般專用機械手有2～3個自由度?？刂葡到y是通過對機械手每個自由度的電機的控制，來完成特定動作。同時接收傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構成，通過對其編程實現所要功能。?
工業(yè)機械手的結構有簡單的也有復雜的。但從結構形式分析，主要有執(zhí)行機構、驅動系統、位置檢測裝置和控制系統等組成。其組成及相互關系如圖1-1所示：
圖1-1 機械手結構形式的組成及關系
1.2.1執(zhí)行機構
(1)手部:手部安裝在手臂的前端。手臂的內孔裝有轉動軸，可把動作傳給手部。機械手手部的機構系模仿人的手指，分為無關節(jié)，固定關節(jié)和自由關節(jié)三種。手指的數量又可以分為二指、三指和四指等，其中以二指用的最多?？梢愿鶕A持對象的形狀和大小配備多種形狀和尺寸的夾頭，以適應操作需要。另外還有真空和電磁吸盤(相當于手爪)，用來吸取表面光滑的零件，比如薄板。有的手爪還可夾持一些專用工具，如噴槍、扳手、焊接工具等。
(2)腕部:腕部是聯接于部和臂部的構件，起支撐手部的作用。它可以有俯仰、左右擺動和回轉三個運動。特殊情況可以增加一個橫向移動。有的機械于沒有手腕動作。
(3)手臂:臂部是支撐手部、腕部的構件。手臂有無關節(jié)和有關節(jié)手臂之分，手臂的作用是引導手指準確的抓住工件，并運送到所需要的位置上。為了使機械手能夠正確的工作，手臂的自由度需要精確的定位。機械手的臀部是為取代人的手臂而研究設計的，但它卻達不到象人密的靈巧和適應功能。因此，只有把結構簡化，把運動軌跡分為沿三坐標軸線方向往復移動和繞三坐標軸線進行回轉。一般手臂又有前后伸縮、左右回轉、上下升降或上下擺動等幾個運動。根據需要可選其中一個、二個或三個運動。
(4)立柱:立柱是支撐手臂等構件的。一般機械于的立往為固定不動的，也有的因工作需要立柱作橫向移孔，此種稱可移動式立柱。
(5)行走機構:行走機構在機械手要求完成較遠距離的操作時，可增加滾輪、軌道等行走機構。
(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。
1.2.2驅動機構
驅動機構主要有四種：液壓驅動、氣壓驅動、電氣驅動和機械驅動。其中以液壓用的最多，占90%以上，電動、機械驅動用的較少。
液壓驅動主要是通過油缸、閥、油泵和油箱等實現傳動。它利用油缸、馬達加上齒輪、齒條實現直線運動；利用擺動油缸、馬達與減速器、油缸與齒條、齒輪或鏈條、鏈輪等實現回轉運動。液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統復雜成本較高。
氣壓驅動所采用的元件為氣壓缸、氣壓馬達、氣閥等。一般采用4-6個大氣壓，個別的達到8-10個大氣壓。它的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，液壓系統容易生銹。
為了減少停機時產生的沖擊，液壓系統裝有速度控制機構或緩沖機構。?
電氣驅動采用的不多。現在都用三相感應電動機作為動力，用大減速比減速器來驅動執(zhí)行機構；直線運動則用電動機帶動絲杠螺母機構；有的采用直線電動機。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。
電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅動機構和控制系統可以采用統一形式的動力，出力比較大；缺點是控制響應速度比較慢。
機械驅動只用于固定的場合。一般用凸輪連桿機構實現規(guī)定的動作。它的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調整。
1.2.3控制系統?
控制系統是機械手的重要組成部分，它是支配機械手按規(guī)定程序、行程和速度進行運動的裝置。它必須保存或記憶人們給予機械手的指令信息(如動作順序，到達位置和時間信息)。機械手工作時根據這些信息對機械手的執(zhí)行機構按程序發(fā)出控制指令，必要時還可對機械手的動作進行監(jiān)機當動作錯誤或發(fā)生故障時可發(fā)出管報信號。目前工業(yè)機械手的控制系統一般由程序控制系統和電器定位（或機械擋塊定位）系統組成?？刂葡到y有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定程序運動。
1.2.4行程位置檢測裝置?
行程位置檢測裝置的作用是控制機械手每個動作的運動位置，或將運動系統的位置反饋于控制系統，再由控制系統進行調節(jié)，使機械手實現位置精度的要求。控制機械手執(zhí)行機構的運動位置，并隨時將執(zhí)行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使機構以一定的精度達到設定位置。
1.3 應用機械手的意義
隨著科學技術的發(fā)展，機械手也越來越多的地被應用。在機械工業(yè)中，鑄、焊、鉚、沖、壓、熱處理、機械加工、裝配、檢驗、噴漆、電鍍等工種都有應用的實理。其他部門，如輕工業(yè)、建筑業(yè)、國防工業(yè)等工作中也均有所應用。?
在機械工業(yè)中，應用機械手的意義可以概括如下：
(1)以提高生產過程中的自動化程度應用機械手有利于實現材料的傳送、工件的裝卸、刀具的更換以及機器的裝配等的自動化的程度，從而可以提高勞動生產率和降低生產成本。
(2)以改善勞動條件，避免人身事故在高溫、高壓、低溫、低壓、有灰塵、噪聲、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空間狹窄的場合中，用人手直接操作是有危險或根本不可能的，而應用機械手即可部分或全部代替人安全的完成作業(yè)，使勞動條件得以改善。在一些簡單、重復，特別是較笨重的操作中，以機械手代替人進行工作，可以避免由于操作疲勞或疏忽而造成的人身事故。
(3)可以減輕人力，并便于有節(jié)奏的生產應用機械手代替人進行工作，這是直接減少人力的一個側面，同時由于應用機械手可以連續(xù)的工作，這是減少人力的另一個側面。因此，在自動化機床的綜合加工自動線上，目前幾乎都沒有機械手，以減少人力和更準確的控制生產的節(jié)拍，便于有節(jié)奏的進行工作生產。綜上所述，有效的應用機械手，是發(fā)展機械工業(yè)的必然趨勢。
1.4 課題的提出及主要任務
1.4.1課題的提出
隨著現代化工業(yè)發(fā)展水平不斷提高,對產品質量及生產效率要求不斷提高,生產過程中的機械化程度不斷提高,機械手也逐步應用于工業(yè)生產中。特別適合于沖壓等重復性、危險性的加工行業(yè),它能取代人工在各個沖壓工位上進行物料沖壓、搬運、上下料等。能夠提高生產效率，降低生產成本及勞動成本，能夠很大限度地降低工傷事件，確保員工安全。機械手是工業(yè)自動控制領域中經常遇到的一種控制對象。機械手可以完成許多工作,如搬物、裝配、切割、噴染等等，應用非常廣泛。本設計以壓鑄成型設備的取料為載體，完成壓鑄成型設備的取料的結構設計過程。進一步提升專業(yè)技能，為踏上工作崗位做好準備。
1.4.2課題的主要任務
(1)收集關于壓鑄成型設備的取料產品的相關知識，了解現有壓鑄成型設備的取料產品的結構；
(2)熟悉壓鑄成型設備的取料的工作原理及過程；
(3)查閱相關資料，熟悉機械產品設計、機械設計基礎、機械零件的加工工藝、工程力學、工程制圖等與本畢業(yè)設計課題相關的知識；
(4)熟練掌握計算機輔助設計軟件；
(5)對壓鑄成型設備的取料設計方案進行詳細規(guī)劃及分析，反復對方案進行論證，逐步進行修改及優(yōu)化；
(6)完成壓鑄成型設備的取料的結構設計；
(7)完成壓鑄成型設備的取料相關機構的各種參數計算和分析；
(8)完成壓鑄成型設備的取料相關零件材料的選用及其工藝分析；
(9)完成壓鑄成型設備的取料產品零件及裝配部件的3D和2D工程圖的繪制；
(10)完成零件拆、裝過程及運動仿真視頻動畫的制作。
2 總體技術方案及系統組成
2.1 原始數據
原始數據如表2-1所示：
表2-1 取料機械手原始數據
用途
用于630噸冷室壓鑄機澆鑄鋁合金溶液
規(guī)格參數
澆杯最大給湯容量
四公斤
自由度數
2個
坐標形式
兩個同心且相互垂直的圓面坐標
手臂運動參數
水平面回轉
180°
手臂伸縮范圍
1500mm
澆杯最大傾轉角
90°
驅動方式
電機
控制方式
PLC控制
2.2 工作需要
澆鑄機械手（即澆杯）的初始位置，停在保溫爐坩堝的金屬液面的上方，在此進行保溫，等待澆鑄。當630噸壓鑄機慢速合模時，壓鑄機的電控裝置發(fā)信，使手臂驅動電機動作，電機驅動關節(jié)軸的回轉控制手臂的下降，澆杯下降并浸入液態(tài)金屬內，直到湯面檢出用檢出棒會與保溫爐內的熔湯接觸，形成回路，電壓繼電器發(fā)出信號，手臂停止后退，停止時湯勺處于計量取湯狀態(tài)，熔湯由汲入口充分流入湯勺內，鋁湯沒有接觸湯勺小手臂的底部，并用時間繼電器控制澆杯，已裝滿液態(tài)金屬，而后手臂驅動電機動作，電機驅動關節(jié)軸的回轉使手臂上升來帶動澆包上升，在提升過程中多余的金屬溶液會溢出，直到澆杯底面超過保溫爐坩堝的最高點，到達后退低速限，提升結束，手部驅動電機控制關節(jié)軸回轉，使?jié)脖謴退綘顟B(tài)，爐上待機，直到壓鑄機給出給湯信號，手臂通過關節(jié)處的回轉來進行伸長，同時腰部驅動電機控制腰部回轉，當碰到前進低速限位開關后，又轉變?yōu)槁倩剞D，直到碰到前進限位開關后停止回轉。此時，630噸壓鑄機模具合嚴，機械手腕連接手部的軸由手部驅動電機經過兩次鏈傳動，帶動澆杯翻轉倒料，經延時后，電機驅動關節(jié)軸的回轉使手臂收縮，同時腰部回轉，當碰到后退低速限位開關后，湯勺處于計量傾斜狀態(tài)至湯面檢出位置即會停止，取湯計時器開始計時，由前面循環(huán)進行動作。
2.3 工作結構
本機械手主要有手臂、手臂回轉支架、回轉機構，傾倒機構、澆杯、手部驅動電機、手臂驅動電機、湯面檢出棒、底座等部分組成。
2.4 系統組成
本基械手系統由機體，傳動機構，動力源和控制裝置四部分組成。傳動機構主要是鏈輪傳動；動力源由電機提供，控制裝置主要由自動控制和手動控制兩部分組成。
2.5 動作分析
工業(yè)機械手的機械機構是指它的執(zhí)行系統，是機械手抓持工件、進行操作及各種運動的機械部件。機械部件主要包括手部，手臂前后伸縮部分，手臂上下升降部分，腰轉部分以及機座和行走機構。
2.6 總體技術方案
畢業(yè)設計的目的就是要把我們所學的比較分散的知識綜合起來，并進行靈活運用?，F在的發(fā)展趨勢是機電一體化，因此，我們的畢業(yè)設計是要我們將“機”、“電”合并起來。
2.6.1執(zhí)行機構的確定
（1)手部：本機械手設計出來是用于壓鑄成型中提取熔融狀態(tài)的鋁液的，所以手部就做成湯勺的形式，如果采用夾持提取澆杯的這種形式，難以實現澆杯的傾倒動作。澆杯上開個小嘴可以使注湯時金屬液體從這里流入注料口，產生類似引流的效果，鋁液不會因為一下子出來很多而灑出來造成浪費，而取湯時，鋁液是從沒有嘴的另一端流入的。
為適應壓鑄機壓鑄不同零件或控制零件最佳加工余量的需要，澆鑄機械手的澆杯容量可以調節(jié)。對于大容量調節(jié)采用調換澆杯的辦法，松開螺栓（共一只），便能更換澆杯。對于小容量調節(jié)，以操作盒之湯增減來調整給湯量，要增大給湯量時，將搖頭開關押到湯增位置，湯量調整電機將帶動湯量調整組件動作，使湯勺的傾斜角度增大，從而使給湯量增大;要減小給湯量時，將搖頭開關押到湯減位置，湯量調整電機將帶動湯量調整組件動作，使湯勺的傾斜角度減小。但若故障時則以手動方式調整，進行回轉，往減量方向回轉，微動開關會往(減)的方向移動，湯勺的傾斜度變大，湯量即減少，往增量的方向回轉時，微動開關會往(增)的方向移動，湯勺的傾斜度變小，湯量即增。630噸壓鑄機澆注機械手設備有4,7,9公斤三種規(guī)格的湯勺，他們的結構相同，只是尺寸有異。?
(2) 手臂:本課題采用的是有關節(jié)手臂，所設計的是單臂式的給湯機，整個機械手是完全模仿人類手臂設計出來的，分為大臂和小臂兩部分，只不過不像人類手臂有那么多的自由度，整個機械手設定為在一個兩個同心且相互垂直的圓面坐標內運動，所以只有兩個自由度，電機驅動關節(jié)處軸的回轉來完成手臂的前后伸縮和上下升降。其中腰轉機構的關節(jié)是固定于機座上面的，帶動整個手臂的水平面回轉，手臂固定于手臂支架上，然后手臂支架再固定于底座上面，也就是說大臂的關節(jié)固定于手臂支架上，小臂的關節(jié)固定于大臂上，這兩個關節(jié)分別帶動大臂和小臂的垂直面回轉。
2.6.2傳動機構的確定
1）常見的傳動機構有齒輪傳動、鏈傳動、蝸輪蝸桿傳動、帶傳動、螺紋（絲杠）傳動、平面連桿機構、凸輪機構、間隙運動機構等。首先介紹一下常用幾種傳動機構的優(yōu)缺點再結合工作需求選取本機械手的傳動機構，特點如下：
(1) 皮帶傳動：
①平皮帶傳動：
（a）結構簡單，可以傳動的中心距較大，傳動過程中不產生震動
（b）滑動系數大，傳遞功率小
②三角皮帶傳動：
（a） 滑動系數比平皮帶傳動小，傳遞功率大（多根皮帶組合使用），傳動中不產生震動
（b）摩擦較大，皮帶輪加工比平帶輪困難
（c)三角皮帶傳動時，由于皮帶截面上各點的直徑不同（D,d1，d2），因此各點的回轉速度不同，而皮帶本身是一個整體，由此皮帶上不和下部相對皮帶輪的槽作相反方向的滑移，產生較大摩擦，也是因摩擦產生熱。
（d)由于三角皮帶的周長是標準固定的，對于非標中心距的皮帶傳動不能采用標準的三角皮帶，這時可以選用“活絡三角皮帶”，該類皮帶與標準皮帶具有相同的截面，但它是由小塊連接件用螺釘緊固的，因此在使用中可以按所需的長度任意增加或減少連接件。這類皮帶傳動的功率要比同類規(guī)格的標準三角皮帶小。
(2)鏈傳動：
①能保證準確的平均速比，傳動效率較高
②作于軸上的徑向壓力小
③整體尺寸較小，結構緊湊
④能在高溫和潮濕的環(huán)境小工作
⑤制造與安裝精度要求較低，成本也低
⑥可以作中心距較大的兩輪軸間傳遞動力和運動
⑦鏈條容易磨損，磨損后的鏈條節(jié)距加大，鏈條容易脫落或者跳齒，影響傳動精度
⑧鏈條傳動的速度較低，運動時候有噪聲，不宜用在載荷變化很大、高速和急速反轉的傳動中
（3）齒輪傳動：
①效率高
②結構緊湊
③工作可靠、壽命長
④傳動比穩(wěn)定
⑤制造安裝精度高，價格較貴、且不宜用于傳動距離過大的場合。
（4）蝸輪蝸桿傳動：
①當使用彈頭蝸桿時，蝸桿每旋轉一周，蝸輪只轉過一個齒距，因而能實現大的傳動比，由于傳動比大，零件數目少，所以結構緊湊
②沖擊載荷小，傳動平穩(wěn)，噪聲低
③具有自鎖性，此時效率僅為0.4左右
④嚙合處有相對滑動，當滑動速度很大，工作條件不夠良好時，就會產生較嚴重的摩擦與磨損，從而引發(fā)發(fā)熱，使?jié)櫥闆r惡化，因此摩擦損失較大，效率低
（5）螺紋（絲杠）傳動：
①能將較小的回轉力轉矩變?yōu)檩^大的軸向力
②能達到較高的傳動精度，通過回轉的角度能轉化為較為精確的直線運動距離
③螺紋傳動的工作平穩(wěn)，易于自鎖
④結構簡單，制造方便
⑤摩擦損失較大，傳動效率較低
（6）平面連桿機構
①連桿機構為低副機構，運動副為面接觸，壓強小，承載能力大，耐沖擊
②運動副元素的幾何形狀多為平面或圓柱面，便于加工制造
③在原動件運動規(guī)律不變情況下，通過改變各構件的相對長度可以使從動件得到不同的運動規(guī)律
④連桿曲線可以滿足不同運動軌跡的設計要求
⑤構件多呈現桿的形狀，可以擴大行程和實現遠距離傳
⑥由于運動積累誤差較大，因而影響傳動精度
⑦由于慣性力不好平衡而不適于高速轉動
⑧設計方法比較復雜
（7）凸輪機構
①組成凸輪機構的構件數較少，結構比較簡單
②只要合理地設計凸輪的輪廓曲線就可以使從動件獲得各種預期的運動規(guī)律，而且設計比較容易
③凸輪與從動件之間組成了點或線接觸的高副，在接觸處由于相互作用力和相對運動的結果會產生較大的摩擦和磨損
2）手臂的傳動機構
參考已有工業(yè)產品，我選擇鏈傳動和電機直接連接花鍵軸通過花鍵連接的方式來帶動手臂的回轉運動。鏈傳動的結構緊湊，相比帶傳動有較高的傳動效率，制造成本低，能在中心距較大的兩輪軸間傳遞動力和運動，實際工作是低速輕載的工作情況，所以可以使用鏈傳動，但是鏈條容易磨損，磨損后的鏈條節(jié)距加大，鏈條容易脫落或者跳齒，影響傳動精度，而且運動時候有噪聲，所以需要定期添加潤滑劑。電機直接通過花鍵連接帶動手臂運動的傳動方式相比其他傳動減少很多成本。
3）手部的傳動機構
綜合上面幾種傳動的特點，再結合工作需求，采用鏈傳動比較適合。本機械手連接手部的手臂兩個關節(jié)之間的距離相對較遠，用鏈傳動要比齒輪傳動輕便，手部的動作必須精確定位，鏈傳動相比摩擦型的帶傳動，沒有彈性滑動和整體打滑現象，同時工作環(huán)境的溫度比較高，鏈傳動能在高溫環(huán)境下工作，工作中不需要出現自鎖現象，所以不采用螺紋（絲杠）傳動和蝸輪蝸桿傳動，鏈傳動的制造與安裝精度比齒輪傳動要求較低，成本也低，而且手臂的長度挺長，用蝸輪蝸桿或者齒輪傳動都需要長度比較長的軸或者蝸桿，增加工藝成本。給湯機的工作速度不快，因為它與壓鑄機相配合，行程中需要待機，而鏈傳動比較適合低速傳動，給湯機的載荷比較恒定，也不會出現高速或者急速反向的傳動，所以鏈傳動都可以符合，比較缺陷的是鏈傳動沒有齒輪傳動、蝸輪蝸桿傳動或者螺紋（絲杠）傳動那么平穩(wěn)，而且工作中噪音比較大，磨損后會發(fā)生跳齒現象，影響傳動精度，需要定期檢查與維護。手部的傳動機構用到兩次鏈傳動以達到控制手部的運動。
2.6.3驅動機構的確定
驅動機構主要有四種：液壓驅動、液壓驅動、電氣驅動和機械驅動。 其中以液壓液壓用的最多，占90%以上，電動、機械驅動用的較少。但是本文所設計的機械手不采用液壓驅動。
（1）液壓驅動的優(yōu)點是壓力高、體積小、出力大、運動平緩，可無級變速，自鎖方便，并能在中間位置停止。缺點是需要配備壓力源，系統復雜成本較高。由于液壓驅動成本較高，系統較復雜，所以不采用。
（2）氣壓驅動的優(yōu)點是氣源方便，維護簡單，成本低。缺點是出力小，體積大。由于空氣的可壓縮性大，很難實現中間位置的停止，只能用于點位控制，而且潤滑性較差，液壓系統容易生銹。由于氣壓驅動占用空間大，不能實現中間位置的停止，所以也不采用。
（3）機械驅動的優(yōu)點是動作確實可靠，速度高，成本低；缺點是不易調整。由于機械手的動作是要配合壓鑄機的，而且手部的動作也是可以調整的來控制取湯量的變化，而不是一經設定就固定不變，要具有良好的調整性，機械手的動作隨時反應給控制系統來決定手臂的運動情況，所以也不采用。
（4）電氣驅動的優(yōu)點是動力源簡單，維護，使用方便。驅動機構和控制系統可以采用統一形式的動力，出力比較大。通用機械手則考慮用步進電機、直流或交流的伺服電機、變速箱等。適合本文所設計的機械手，所以就采用電氣驅動。
2.6.4控制系統的確定
目前工業(yè)機械手的控制系統一般由程序控制系統和電器定位（或機械擋塊定位）系統組成?？刂葡到y有電氣控制和射流控制兩種，它支配著機械手按規(guī)定程序運動。這里我們采用電氣控制，常用的有單片機與PLC。這里我們進行比較與選擇。
（1）單片機控制：優(yōu)點：經濟實惠，成本相對較低；缺點：用單片機制造的主控板收制版工藝、布局結構、器件質量等因素的影響導致抗干擾能力差，故障率高，不易擴展，對環(huán)境依賴性強，開發(fā)周期長。一個采用單片機制作的主控板不經過很長時間的實際驗證很難形成一個真正的產品。
（2）PLC控制：優(yōu)點：PLC是經過幾十年實際應用中檢驗過的控制器，其抗干擾能力強，故障率低，易于設備的擴展，便于維護，開發(fā)周期短。缺點：相對單片機成本要高。由于壓鑄成型過程中對動作的精度要高，而且本身過程也是一個比較危險的過程，所以要求控制系統的故障率要低。本課題所設計的機械手可以與其他機器聯機工作的，是比較通用的機械手，所以要求控制系統可以擴展。綜上所述，我們選擇PLC作為控制系統。
2.6.5行程位置檢測裝置的設置
為了滿足工作的需求以及防止意外的發(fā)生，我們在機座上設置行程開關，如圖2-1所示：
圖2-1 行程開關在機械手上面的布置
為了確定每次湯勺所取金屬液體一樣多，在手臂上布置金屬湯面檢出棒，手臂后退，知道湯面檢出棒與液面接觸，形成回路，傳遞信號給電機，后退停止。此外，為了防止熔爐內金屬液面過低導致手臂2撞到熔融液體里面造成損壞，考慮設置一個手臂后退限。后退限的設置：手臂后退于湯勺取湯狀態(tài)時，用最大的湯勺，最小的取湯量，湯勺底部離坩鍋2cm位置(逆時針旋轉凸輪)，微動開關ON時設定完成。湯面檢出棒的布置如圖2-2所示：
圖2-2湯面檢出棒的布置
3 電機的選擇
3.1 選擇電動機的類型和結構
通用機械手可以考慮伺服電機和步進電機，就拿這兩種電機進行分析比較和選取。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件，在非超載的情況下，電機的轉速、停止位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖個數，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機安設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的，同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到高速的目的。
伺服電機又稱執(zhí)行電機，在自動控制系統中，用作執(zhí)行元件，把收到的電信號轉換成電機軸上的角位移或角速度輸出。伺服電機內部的轉子是永磁鐵，驅動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉子在此磁場的作用下轉動，同時電機自帶的編碼器反饋信號給驅動器，驅動器根據反饋值與目標值進行比較，調整轉子轉動的角度。伺服電機的精度決定于編碼器的精度（線數）也就是說伺服電機本身具備發(fā)出脈沖的功能，它每旋轉一個角度，都會發(fā)出對應數量的脈沖，這樣伺服驅動器和伺服電機編碼器的脈沖形成了呼應，所以它是閉環(huán)控制，步進電機是開環(huán)控制。
步進電機和伺服電機的區(qū)別有7點。
（1）控制精度不同:步進電機的相數和拍數越多，它的精確度就越高，伺服電機取塊于自帶的編碼器，編碼器的刻度越多，精度就越高。
（2）控制方式不同:一個是開環(huán)控制，一個是閉環(huán)控制。
（3）低頻特性不同:步進電機在低速時易出現低頻振動現象，當它工作在低速時一般采用阻尼技術或細分技術來克服低頻振動現象，伺服電機運轉非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現振動現象。交流伺服系統具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統內部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點便于系統調整。
（4）矩頻特性不同:步進電機的輸出力矩會隨轉速升高而下降，交流伺服電機為恒力矩輸出。
（5）過載能力不同:步進電機一般不具有過載能力，而交流電機具有較強的過載能力。
(6)運行性能不同:步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易丟步或堵轉的現象，停止時轉速過高易出現過沖現象，交流伺服驅動系統為閉環(huán)控制，驅動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內部構成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現步進電機的丟步或過沖的現象，控制性能更為可靠。
（7）速度響應性能不同:步進電機從靜止加速到工作轉速需要上百毫秒，而交流伺服系統的加速性能較好，一般只需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場合。
綜上所述，交流伺服系統在許多性能方面都優(yōu)于步進電機，但是價格比就不一樣了。本機械手工作在電機轉速不高的情況下，而且要求控制精度較高，來實現每個動作的準確定位，交流伺服電機可以不用減速器而輸出很小的轉速，所以選擇交流伺服電機。為了減輕手臂重量，使手臂的運動輕巧，機械慣量小，便于快速加減速，快速運動，全部電機下置，其中腰轉機構的驅動電機選擇立式結構的電機，其他三個關節(jié)的驅動電機全部為臥式結構，電機的安裝如圖3-1所示：
圖3-1 電機的安裝
3.2 選擇電機的型號和參數
各個手臂的驅動軸如圖3-2所示：
圖3-2 手臂的驅動軸
根據負載，及手臂長度，初設軸的輸出轉矩T為1N·M，轉數=12r／min。
=0.00126kw。電動機所需的輸出功率=。式中：——為工作機所需功率，單位kw；η——由電動機至工作機的傳動總效率。。其中：—聯軸器的傳動效率；—鏈的傳動效率；—軸承的傳動效率。查機械手冊可知，機械傳動效率的概略值表如表3-1所示：
表3-1 機械傳動效率的概略值
類型
傳動型式
效率
聯軸器
浮動聯軸器
齒輪聯軸器
彈性聯軸器
萬向聯軸器
0.97～0.99
0.99
0.99～0.995
0.95～0.98
鏈傳動
滾子鏈傳動
齒形鏈傳動
0.9
0.93
軸承
滾動軸承
滑動軸承
0.99～0.995
0.97～0.99
在此取在此取聯軸器的傳動效率=0.98，鏈的傳動效率=0.90，軸承的傳動效率=0.99。則電機所需的輸出功率kw。 (3-1)
按機械設計手冊中推薦的傳動比合理范圍可知，一般鏈傳動的傳動比，常取，所以總的傳動比范圍=4～12.5。由此可知電機的轉速范圍=n=48～150r/min。根據機械手冊，選得得森創(chuàng)的40CB(5)系列交流伺服電機，參數如表3-2所示：
表3-2 J4軸驅動電機參數
產品系列
額定功率（kw）
額定轉速（rpm）
規(guī)格型號
額定轉矩（）
額定電壓
適配驅動器
40CB（5）系列
0.1kw
3000r/min
40CB010C
0.32
220VAC
MS0010A
初設T為12N·M，轉數=7.5r／min，=0.0094kw，，根據機械手冊，選得森創(chuàng)的110MB（2）系列的交流伺服電機，參數如表3-3所示：
表3-3 J3軸驅動電機參數
產品系列
額定功率（kw）
額定轉速（rpm）
規(guī)格型號
額定轉矩（）
額定電壓
適配驅動器
110MB（2）系列
0.4kw
1000r/min
110MB040A
3.82
220VAC
MS0040C
一般鏈傳動的傳動比，常取，所以總的傳動比范圍=2～3.5,由此可知電機的轉速范圍=*n=15～26.25r/min。
初設T為35N·M，轉數=7.5r／min，=0.027kw，，根據機械手冊，選得交流伺服電機的參數如表3-4所示：
表3-4 J2軸驅動電機參數
產品系列
額定功率（kw）
額定轉速（rpm）
規(guī)格型號
額定轉矩（）
額定電壓
峰值力矩（）
180系列
3.7kw
1000r/min
180ST-M35010
35
220VAC
70
初設T為9N·M，轉數=5r／min，=4.7w，，根據機械手冊，選得森創(chuàng)的130MB（7）系列的交流伺服電機，參數如表3-5所示：
表3-5 J1軸驅動電機參數
產品系列
額定功率（kw）
額定轉速（rpm）
規(guī)格型號
額定轉矩（）
額定電壓
適配驅動器
130MB（7）系列
1kw
1000r/min
130MB200B
9.55
220VAC
GS0210A
由于，所以電機轉速=n=5r/min。
3.3 設計傳動裝置的總傳動比及分配各級傳動比
到：設兩級鏈傳動的傳動比都為2，那么總的傳動比為4，這樣電機在額定轉矩下輸出的轉矩經過兩級鏈傳動之后的轉矩為1.02N·M，大于設定的，符合要求。：設鏈傳動的傳動比為3.5，因為只有1級傳動，總傳動比也就為3.5，這樣電機在額定轉矩下輸出的轉矩經過鏈傳動之后的轉矩為12N·M，等于設定的，符合要求。：電機直接通過平鍵與，這樣電機在額定轉矩下輸出的轉矩為35N·M，等于設定的，符合要求。，電機直接通過平鍵與連接，輸出的額定轉矩為9.55N·M，大于設定的軸轉矩，符合要求。
3.4 計算傳動裝置的運動和動力參數
3.4.1驅動電機到軸
(1)各軸轉數：／min，／min，／min。
(2)各軸輸入功率：
,,。
(3)各軸輸入轉矩：，，。
3.4.2驅動電機到軸
(1)各軸轉數：r／min，r／min。
(2)各軸輸入功率：，。
(3)各軸輸入轉矩：，。
3.4.3驅動電機到軸
(1)各軸轉數：r／min。
(2)各軸輸入功率：。
(3)各軸輸入轉矩：。
3.4.4驅動電機到軸
(1)各軸轉數：r／min。
（2）各軸輸入功率：
（3)各軸輸入轉矩：。