科学技术持续发展着，现代制造业针对冲压加工的效率、精度等各方面，提出了更高要求。冲压生产线进行生产之时，传统的工人手动上下料方式，已然不易满足工艺需求，自动化上下料机械手得以引入，成了解决此问题的一个可行途径。 这是关于冲压 生产线上下料机械手设计，第7页提到之后，第8页又提及的前言部分内容 。相较人工上下料，运用机械手实施自动上下料存在精度高、效率高这般显著优势，这些优势致使机械手在越发众多的物料搬运场景里得以应用。机械手是一种拥有类似人体上肢中部分功能的设备，它能够替代人手去搬运工件，或者依照特定动作展开加工 。按照用途划分，机械手可分为专用机械手与通用机械手，其一，专用机械手一般不具备独立的控制系统，而是采用固定程序来达成可控制，它拥有结构简单、可靠性较高以及成本相对较低等特性，常常被应用于大批量的自动化生产之中；其二，通用机械手具备独立控制系统，能够达成更为灵活的动作以及匹配内容更丰富的使用场景。美国于1958年发明了第一台机械手，此后，诸多制造业大国都针对机械手展开了研究，现在，机械手已然是制造业的重要构成部分，除开上文所论及的物料搬运领域，在喷漆、焊接、装配等生产活动当中，也都能见到机械手的踪迹，与此同时，在高危、高污染等工作环境里，机械手相较于人工具备显著优势。网络技术以及计算机技术发展带来了益处，机械手在集中控制方面取得了突破，在全自动生产线构建等方面也取得了突破，并且随着AI技术与5G通信技术被引入，相信今后机械手在智能化方面还将有着更大的发展空间，在信息化方面同样还将有着更大的发展空间。本次设计打算完成一种可行的用于冲压生产线的上下料机械手结构设计，机械手设计参数如表0-1所示。给出的内容包含表格和段落，以下是分别改写： 表0 - 1，所呈现为机械手设计相关参数，其中包括，工件材料为钢，工件形状是长方形板料，工件长度达800mm，工件宽度为600mm，工件厚度是2mm，工件质量7.488kg，两工位间距2500mm，加工节拍为5件/分钟 。 1，机械手总体方案设计，其中，机械手关节形式的确定方面，常见用于搬运的机械手关节结构涵盖旋转关节及平移关节，平移关节具备承载能力较强的特点，其动作执行相对精确，不过占据空间较大；旋转关节具有质量较轻的特性，活动空间较大，拥有较好的密封防尘秉性，尽管自身体积较小，然而负载能力相较于平移关节要稍差一点 。此次上下料机械手开展设计，所搬运的工件重量是比较轻的，且面积挺大，鉴于冲压生产线里对搬运机械手的体积存在一定要求，在这种情形下，平移关节相较于旋转关节，于体积方面显现出较为显著的劣势，与此同时，鉴于要考量机械手的灵活性以及一定程度上的通用性，此次设计中选用了旋转关节。1.2，用于搬运用途的机械手，其自由度数量的确定，会因要匹配不同工作环境，而选择不同数量，常见的一般是有4至6自由度的机械手，自由度数量较多的那种机械手，活动更为灵活，能够完成一些运动路径相对复杂的动作，然而，机械手自由度数量的增加，会致使机械手整体刚性下降，成本也会有所增加，所以，在设计时应当依据实际需求，匹配适宜的自由度数量。此次设计目的在于设计一种用以取代人工上下料的机械手结构。由于动作构成相对简单，并且对手部灵活程度要求不高，综合考虑后选取自由度为4，其自由度分配如图1-1，分别是机械手1轴旋转，机械手2轴俯仰，机械手3轴俯仰以及机械手4轴俯仰。图1-1是机械手自由度分配。Fig.1-1Manipulator degree of freedom allocation。1.3是机械手驱动方式的确定。机械手各关节常见的驱动方式有气动，有液压驱动，还有电机驱动。其中，气动驱动具备优势。其一，气源相对易于获取。其二，空气对环境不存在污染。其三，动作较为迅速，拥有较快反应。且其四，对于工作环境具备较强适应性。然而，气动存在着不足之处。其一，稳定性比较差。其二，基于气体的压缩性，致使对速度或者位置的控制精度较低。其三，相较于液压传动，负载能力较差。其四，在运行过程中会产生较大噪音，故而需要加装消声设备。液动有着这样的优点，系统体积相对来说较为紧凑，整体质量比较微小 ，在运行层面能够进行无级变速，并且在允许的范围之内对牵引速度予以稳定的调节，换向的达成较为简便，还能够达成远程操作 ，因为液压传动系统的介质是液压油，所以拥有一定的自润滑以及防锈的本领 ；其缺点在于，传动效率比较低，系统需要较为频繁地进行维护以及更换液压油，借此保障系统内部的清洁以及工作稳定，液压油自身的特性决定了它的黏度会受到油温变化的影响，故而系统对温度有一定的要求，同时液压传动存在管路渗漏的风险以及火灾隐患 。具有较高精确度是电机驱动的优点，能实现比较精密的控制，在节能环保方面有着比较明显优势，较其他传动方式噪音有所降低，且安装维护较为方便，电机输出转矩范围较大；其缺点是机械效率较低且结构复杂，输出功率范围较小。综合考量各驱动方式特点并参考目前主流工业机器人产品，采用电机驱动作为本次机械手设计的驱动方式 。目前电机驱动的自动化设备通常选取步进电机或者伺服交流电机，二者在性能和应用场景上有所不同 。在精度方面，伺服电机借助旋转编码器，致使其脉冲当量数值极小，和常规的像 1.8°步距角的步进电机相比，有着显著的优势；在运行稳定性方面，步进电机于低速时，或许存在低频振动的状况发生，当电机转速提升到一定数值时，电机所输出的力矩会有较为明显的降低，然而伺服电机运行得较为平稳；伺服电机的响应速度较快，一般加速至额定转速只需几毫秒，而步进电机通常要历经 200 至 400 毫秒才可加速至额定速度；在过载能力方面，步进电机通常情形下不具备过载能力，选取型号时要预留出充足的转矩当作缓冲，伺服电机则具备一定的过载能力，常见的伺服电机最大转矩能够达到额定转矩的 2 至 3 倍，这表明能够承受如电机启动瞬间的扭矩升高；在运行方面，因为步进电机是开环控制，面对负载过大或者启动时频率过高，有可能出现堵转或丢步，在电机停止时倘若转速过快还可能出现过冲，这对步进电机的运行过程提出了更多要求，而伺服电机是闭环控制，参数反馈更为及时，确保了运行的稳定可靠。秉持综合考量的原则，于现今本次就机械手展开的设计进程当中，针对其四个驱动轴而言，均选取了伺服电机来实施驱动操作。在机械手各关节间距的确定这一环节，其设计要求明确规定，相邻的两个冲压设备之间的间距设定为 2500mm，就如同图 1 - 2 所清晰展示的那样，这也就意味着机械手所要达成的搬运范围半径是 1.25m。为了能够切实满足此项活动范围的具体需求，经过全面、全方位进行综合考量以后，最终确定 2、3 轴之间的间距为 600mm，继而确定 3、4 轴之间的间距是 500mm，同时将从第 4 轴直至所搬运工件重心的距离确定为不小于 500mm。图一杠二，冲压生产线工位距离的示意图形。图一杠一，冲压生产线中工位距离的示意图形表示。一点五，机械手运动节拍进行分析。选取机械手初始位置位于相邻两工位的中间地方，为了去匹配生产线的加工节拍，应当确保机械手能够在十二秒之内完成一回搬运工作并且返回到初始位置，就是完成一回工作循环的时间不超过十二秒。拥有旋转举动，先是旋转至取件位置，接着下降，随后拾取工件，之后上升，再旋转至放料位置，又下降，然后放料，接着上升，最后旋转至初始位置，这一系列动作构成了机械手一个工作循环。综合考量后初步设定，机械手完成90°回转时，用时不超过1.5s，手臂完成从上升或者下降至取放料高度所用时间不超过0.5s，完成拾取以及放置工件这样的动作时用时不超过1s，如此一个动作循环将会在10s内完成，还要留出系统自检等行为所需时间。2，用于搬运的机械手手部开始设计，2.1，针对工件确定手部固定方案，这个工件是板料件，尺寸为MM ，重量是，7、488千克 ，所以 ，采用真空吸盘吸附的方式进行吸吊搬运的动作 ，真空吸盘用于搬运具备什么主要优势呢?成本算比较低廉 ，并且橡胶材质的吸盘 ，没办法对所搬运工件的表面造成损伤的情况 ，在工作的时候 ，不会产生光 、电磁 、甚至热等形式的污染，从环保角度来看 ，有着很大的优势 。对于真空发生装置而言，存在可供选择的是真空泵或者真空发生器，其中，真空泵能在吸入口构建出低于常压的负压状态，并且把它的排气口与大气直接连通，借助进、排气口之间较大的压力差值来抽除气体；真空发生器的原理是，让压缩空气在其中流动进而形成真空度，也就是凭正压气源生成负压。相比于真空泵而言，真空发生器的结构要更为简单些呢，其尺寸也会更加小巧些，安装以及拆卸维修的时候会更加便利些，并且在环保和经济的角度方面有着更为出色的表现，所以此次设计挑选真空发生器当作真空发生装置。2.2 手部真空设备的选型计算2.2.1 真空吸盘的选型，吸盘选型之际主要所需考虑的参数为吸吊力的大小，吸盘理论吸吊力乃是由有效吸附面积跟所处环境真空度的乘积。然而在理论值之上，鉴于在吸盘实际工作进程里，其所吸吊的工件会生成运动加速度，像启动时的加速度、制动加速度、回转加速度以及平移加速度，为确保吸持流程的安全，所以在开展吸盘选型设计之际，还应当预留充足的余量。于对面积较大的板材进行吸吊之时，为保障吸吊安全，通常会采用若干个吸盘协同作用。在运用多个吸盘进行吸吊时，要让吸盘的吸吊合力作用点尽可能朝着所吸吊的工件重心靠拢。鉴于板料搬运期间的平稳性，此次设计选取4个尺寸相同的吸盘共同进行吸持的方案。当运用相同尺寸的吸盘对物体开展吸吊操作时，吸盘直径能够依据以下式子予以确定。（2 - 1）式当中：——此为吸盘直径，单位是mm；——这是吸吊工件的重力，单位是N； ——属于安全率范畴。在水平吊的情形下，；垂直吊的时候，；本次设计是水平吊，所以取值为4；——该为吸盘内部的真空度，单位是MPa。选取吸盘内的真空度数值大小时，应在真空泵或真空发生器的最大真空度数值的63%到95%这个范围之内进行呀，目的是在增加吸附能力之际不让吸着响应时间变得过长呢，因为常见标准型设备的最大真空度是88kPa，折算后的范围是0.055MPa到0.084MPa。由式2-1能够导出：（2-2）暂定的方案是4个直径吸盘，已知吸吊的工件重7.488kg，也就是重力，据此可计算出吸盘内部真空度Mpa，且要满足真空度数值范围。将该真空度数值代入式2-1对吸盘直径验算：，故该方案可行。真空吸盘的吸盘部分有着多种材质，因要尽量防止工件被划伤，所以可选丁腈橡胶、氟橡胶或者硅橡胶，丁腈橡胶在这几种橡胶里具备比较优秀的耐油性、耐磨性以及耐热性，然而耐老化性欠佳，氟橡胶拥有耐高温、耐腐蚀、抗氧化以及耐油等特质，是一种性能极为优良的橡胶材质，只是价格偏高，硅橡胶的应用颇为广泛，其化学性质稳定，具有良好的热稳定性与抗变形性，唯独相较于上述的丁腈橡胶和氟橡胶，强度和耐磨性略显逊色。综合考量以上各类材质的特性情况，此次设计挑选丁腈橡胶当作真空吸盘的吸盘部分材质。另外，鉴于橡胶材质的真空吸盘属于易损件，在设计选型期间要顾及安装拆卸的便利程度，并且因为真空吸盘于实际生产活动里搬运工件时会直接和工件接触，所以要考虑给予一定的缓冲空间，经过综合考虑选定型号为ZPT40U-J10-B5-A14的真空吸盘，如图2-1 。该型号的真空吸盘自身带有螺纹，其装卸的时候比较便捷，并且还带有10mm的缓冲行程，这有利于在吸吊工件之际防止工件受到损毁，图2-1是真空吸盘，Fig.2-1是vacuum chuck，2.2.2是真空发生器的选型，查看相关资料能够知道，真空发生器选型最先要计算的吸着响应时间指的是在气动系统里从真空切换阀开始换向为之计时，一直到吸盘内部达到足以吸吊工件的真空度所经历的时间，考虑到加工节拍，确定吸着响应时间应当小于等于1s。当真空切换阀把换向动作得以顺利完成之后，对于吸盘之内那个真空度而言，它跟达到各个真空度的时候所运用的时间之间的关系会像是图2 - 2那般。图2 - 2展示了吸盘内部的真空度跟达到各真空度所需时间的关系，Fig.2 - 2呈现的是The relationship between两个方面，即真空度与达到各真空度所需时间，设吸盘内部的压力从大气压降低至真空度为63%的所用时间为，降低至真空度为95%所用时间为，存在这样的情况：（2 - 3）（2 - 4）式中， （或）表示吸着响应时间，单位是s；表示真空发生器到各吸盘的配管的容积，单位是L；（2 - 5） 表示配管的内径，单位是mm；表示配管的长度，单位是m； 表示经过真空切换阀吸入流量的平均值，单位是L/min； 表示经过真空发生器流量的平均值，单位是L/min，其计算公式为：（2 - 6） 表示真空发生器吸入流量的最大值，单位是L/min； 表示。通常进行选取，配管的直径是6mm，配管的长度是1m，经由式2-5能够计算出配管的容积L，通过式2-3能够推导得出，依据图2-2能够知道，代入之后可以计算出平均吸入流量为L/min，由式2-6，选取系数，能够求出最大吸入流量为L/min，所以此次设计选用型号是ZH10BS的真空发生器，这种型号的真空发生器喷嘴直径为10mm，最大吸入流量是24L/min，由式2-3能够计算出实际吸着响应时间为s，符合小于1s的设计需求。机械手的手部结构设计，要固定真空吸盘以及真空发生器，并且通过手腕与机械手主体相连，设计需从几个角度来考虑，从质量角度看，因处于机械手手臂结构末端，过大重量会致使各关节转矩过大，影响电机选型以及经济型，所以要让质量尽可能小；把长句拆分成多个小分句，用逗号隔开，确保句末有标点符号。从安装维护角度讲，鉴于橡胶质真空吸盘在实际生产活动中损耗较大，在手部结构设计时，要让真空吸盘装卸尽可能便捷。此外涉及从几个角度考虑，从质量看，因在手臂末端，过大重量会使关节转矩过大，影响电机选型及经济型，故质量要小；从安装维护看，因橡胶吸盘损耗大，设计时要让装卸便捷 。在此次设计里头，机械手的使用场景是于冲压生产线其间，在那些冲压机之间去做上下料操作，所以在着手进行手部结构设计之际，应当把冲压机的结构形式给考虑进去。冲压设备依据机身结构一般能够分为开式以及闭式这两种，其中开式冲压设备的结构是工作台四个面当中三个面呈现开放的形式，就如同图2 - 3那样，常见于中小型冲压机；闭式压力机四周通常会有导柱等支撑部件，常见于中、大型冲压设备，就像图2 - 4那样， 。对于闭式冲压设备，设计上下料机械手之际，要考虑闭式冲压机上下料空间有限这一特性，尤其是手部设计时，要确保手部结构能够进入闭式冲压机上、下模间的空间，去完成抓取或释放工件的动作，并且还要考虑手部具备足够长度，得探入冲压机内作取放工件的操作。如下呈现的是图2-3，它所展示的乃是开式冲压机，而与之对应的是图2-4，其显示的则是闭式冲压机。在进行综合考量之后，针对机械手手部结构展开设计，设计结果如图2-5所示，在手部结构设计过程中，所选用的材料为铝合金，该铝合金的厚度处于3至4mm的范围之内 。其中，吸盘支撑框架部分的定位，是采用定位销来定位的，其配合选择是H7/k6 ；手部直角连接部件跟手部框架的定位，是以定位销定位方式来进行的，配合代号选择H7/k6 ；手部直角连接部件的中间，预留有直径为20mm的线缆口，跟手腕连接的那一侧，设置有直径25mm的突出部，用于和手腕定位，该部分配合选取H8/h7，与此同时，还设置了一个销钉来进行辅助定位，配合代号是H7/k6，以上这些定位销的直径，均取5mm 。3 机械手手臂及底座设计，本章会针对机械手各关节驱动电机以及减速器的具体型号加以选定， 在明确电机及减速器尺寸以后，着手进行它的手腕、小臂、大臂、回转臂座还有底座，这些部分的结构设计； 同时还会对关节部分相关关键部件予以校核。在进行电机选型计算时，通过查阅相关产品手册能够知道，机械手关节驱动电机有着如下的选型方式：其一，电机功率要与转速相匹配，机械手的手腕负载额定功率（kw）是这样的：（3 - 1），这里面：是允许负载转矩，单位为Nm；而后是经减速装置减速之后的转速，单位是r/min。能够计算得出允许负载转矩的式子是：（3 - 2），其中：是最大负载质量，单位为kg；是负载质心到关节回转轴的距离，单位是ｍ。所选用的电机的额定输出功率必须要大于腕部负载额定功率，也就是 。（2）电机转矩匹配时，对于伺服电机而言，其负载转矩要满足这样的条件，即在负载做匀速运动之际，电机轴上所承受的负载转矩大小应当小于该型号电机的连续额定转矩。各关节电机输出轴上的负载转矩计算方式如下：（3 - 3）其中：—传动效率，取值为0.9；—经验系数，通常取值在0.7至0.8之间，这里取0.7；—该电机减速器装置的减速比。所选电机需要满足：（3 - 4）其中： 为伺服电机的额定转矩。根据手部结构设计情况，工件固定部分运用了4个真空吸盘的对称布局方式，在吸吊工件之际，工件的重心到和手腕连接的端面距离是320mm，为要满足吸吊时工件的重心距离4轴关节不少于500mm，并且考量关节处结构，设定手腕与手部连接的端面至4轴关节的距离为350mm，所以这时工件及手部重心距离4轴关节距离670mm，手腕及手部连接件重心距离4轴关节240mm。手部以及工件的质量是9.5千克，腕部质量被设定成5千克，4轴的受力情形如同图3-1。图3-1为4轴受力情况，即Fig.3-1是4-axis stress condition。查找产品手册来选定4轴电机的额定转速为1500r/min，还有4轴所选用减速器的传动比。通过式3-1可以求出，在此之中； 。依据式3-3能够求出。选用安川SGM7G-03A型电机，电机的参数如表3-1，查看表格可知，符合设计要求。下述为电机参数表，其编号为表3 - 1，也被称作Lab. 3 - 1 Motor parameter table ，其中型号为SGM7G - 03a05a09a13A ，额定输出分别有0.3 、0.45 、0.85 、1.3 ，额定转矩依次是1.96 、2.86 、5.39 、8.34 ，额定转速均为1500 。接下来要开展3轴电机选型工作，鉴于已确定采用4轴关节与3轴关节距离为500mm的方案 ，设定4轴关节部位质量是6.5kg 。然后小臂部分质量为10kg ，且小臂重心到3轴关节距离为250mm 。3轴关节受力情况如图3 - 2 。视图3 - 2，三轴受力情形，图号为Fig.3 - 2以及3轴编号，轴向力状况，查看产品手册，设定3轴电机转速成为1500转每分钟，减速器传动比例，依据式3 - 1能够求出，当中，由式3 - 3能够求出，选取安川SGM7G - 05A型电机，电机参数如同表3 - 1，表格查询可知，符合设计要求。进行2轴电机选型的继续工作，因采取了2轴关机与3轴关节距离是600毫米这样的设计方案，参照产品手册来设定3轴关节部位质量为13千克，大臂质量是15千克，大臂重心距离2轴距离为300毫米，2轴受力呈现图3 - 3的情况。图3 - 3展示的是2轴受力状况，即Fig.3 - 3 2.Axial force。查看产品手册，设定2轴电机转速为1500r/min，还有减速器传动比。依据式3 - 1能够求取，其中；。通过式3 - 3可以求取。从中挑选出安川SGM7G - 09A型电机，该电机参数呈现在表3 - 1当中，通过查阅表格能够知晓，其符合设计标准与要求。紧接着针对1轴电机开展选型方面的计算，1轴是机械手臂座的回转关节，去查看产品手册并且参照加工节拍，将1轴电机转速设定成1500r/min，此为减速器传动比，也就是1轴关节回转速度是15r/min，能够在大概2s的时间内完成180°的旋转举动。因为1轴关节属于负载最大的那个关节，并且是围绕着垂直于地面的轴线进行旋转的性质，所以对1轴电机的选用是采用启动转矩来进行匹配的，1轴受力的情形展示于图3 - 4 。图3 - 4，1轴受力情形，Fig.3 - 4 1个轴向力姿态，启动转矩能够依据下面这个式子来计算：（3 - 5），当中称作转动惯量，值为，称作角加速度，其情形下如此。转动惯量能够按照下面的这个式子计 算获得：（3 - 6），从式3 - 6能够求得，角加速度能够通过以下式子算出：（3 - 7），选取加速器时间以算出角加速度，凭借式3 - 5能够获取启动转矩，电机输出轴的启动 转矩是这个数值。挑选出安川SMG7G - 13A型电机，该电机的参数呈现在表3 - 1 。3.2，执行减速器选型计算，3.2.1，进行减速器类型选择，机械手正常情况下经常选用的减速器类型包含行星齿轮减速器， 。
