摘 要

近年来，随着我国复合材料工业的快速发展，工业生产过程更加智能化、柔性化，因此，在工业企业内发展自动化生产设备的需求也随之大幅度增加。在复合材料自动化生产过程中，机械手起到了无法替代的作用，它可以代替工人完成在复杂环境下的生产要求，提高企业生产效率，减小工人劳动强度，提高产品生产质量。为了迎合我国复合材料生产自动化的发展，设计和发展符合生产企业要求的机械手也变得越来越重要。

本文根据复合材料生产企业自动化流水线的实际生产需求，设计了一款可以实现自动上下复合材料模板的机械手系统。在设计过程中，综合运用机械原理、机械设计、工程材料、机电传动控制等相关理论知识，实现了在复合材料生产流水线上自动上下料的设计要求。

本机械手系统通过电机和减速器的配合为工作过程提供动力；用齿轮齿条的合理装配以及气缸的运动实现动力的传输；通过吸盘的吸附力以及涡旋气泵实现对复合材料模板的吸附与搬运；通过行程开关以及光电开关完成系统工作位置的确定。以上各工作模块及模块的运动方式实现了自动上下料机械手的设计要求，同时也保证了系统的安全性和可靠性。采用的模块化设计的方法，便于对系统的日常维护和故障维修。本次设计利用理论计算以及Auto CAD软件完成对机械手系统的设计计算，装配图的绘制和主要零部件的绘制。

关键词：复合材料生产；自动上下料机械手；结构设计

Abstract

In recent years, with the rapid development of China's composite materials industry, the industrial production process has become more intelligent and flexible. As a result, the demand for  the development of automated production equipment in industrial enterprises has also increased substantially. In the automated production process of composite materials, the robotic hand has played an irreplaceable role. It can replace the production requirements of workers in a complex environment, improve the production efficiency of enterprises, reduce the labor intensity of workers, and improve the production quality of products. In order to cater for the development of automated production of composite materials in China, it has become increasingly important to design and develop robots that meet the requirements of manufacturers.

In this paper, according to the actual production demand of the automated assembly line of composite material production enterprises, a manipulator system that can realize the automatic up and down composite material  is designed. In the design process, the integrated theoretical principles of mechanical principles, mechanical design, engineering materials, mechanics transmission control, and other related theoretical knowledge have been used to achieve the design requirements for automatic loading and unloading on composite production lines.

The robot system provides power for the working process through the cooperation of a motor and a speed reducer; the power transmission is achieved by the proper assembly of the rack and pinion and the movement of the cylinder; and the adsorption and transportation of the composite template are realized by the suction force of the suction cup and the vortex pump. Through the trip switch and photoelectric switch to complete the system work position determination. The movement modes of the above work modules and modules achieve the design requirements of the automatic loading and unloading manipulator, and also ensure the safety and reliability of the system. The modular design method is used to facilitate the daily maintenance and fault repair of the system. This design uses theoretical calculations and AutoCAD software to complete the design and calculation of the robot system, the drawing of the assembly drawing and the drawing of the main parts.

Key Words：composite material production;automatic loading and unloading manipulator; structural design.

目 录

摘 要 I

第1章 绪论 1

1.1论文的研究背景 1

1.2 论文研究的目的和意义 2

1.3论文的主要研究内容 3

第2章 复合材料上下料机械手工作环境介绍 4

2.1 复合材料模板生产线工作环境背景介绍 4

2.2 复合材料模板上下料机械手工作任务介绍 4

第3章 复合材料模板上下料机械手总体设计方案 5

3.1 复合材料模板上下料机械手设计路线 5

3.2 复合材料模板上下料机械手总体结构设计方案选定 5

第4章 复合材料模板上下料机械手结构设计 8

4.1动力传输机构的设计计算及选型 8

4.1.1复合材料模板上下料机械手动力传输机构的设计说明 8

4.1.2 电机及减速器的选型计算 8

4.1.3齿轮齿条的设计计算 12

4.1.4 气缸的选型计算 14

4.2 执行机构的选型计算 15

4.2.1 执行机构的结构设计及说明 15

4.2.2 旋涡气泵的选型计算 15

4.2.3 真空吸盘的设计选型 16

4.2.4 执行机构的附件设计 18

4.3 机架的设计计算 19

第5章 设备的主要零件安装 23

5.1 电机与减速器的安装 23

5.2 齿轮齿条的安装 24

5.3 气缸的安装 25

5.4 六角托板的安装 26

第6章 总结 27

6.1 论文总结 27

6.2 工作总结 27

参考文献 28

致 谢 29

第1章 绪论

随着全球范围内大规模机械工业技术和自动化控制技术不断的发展，过程装备自动化的发达程度也正在逐渐提高。与此同时，以工业自动化机械为基础的工业机械手系统也随着机械科技的进步，进入了快速发展的阶段。目前，工业机械手在各行业得到广泛使用，并在其不断的发展中表现出如下特点：（1）专用化强，工业机械手可以被细分到工业生产的各个角落，并针对不同的工作有不同的结构；（2）实用性强，工业机械手可以代替人完成相同工作内容；（3）工作位置的操控精度高，自动化作业程度高。以上特点使得工业机械手臂在对产品质量的保持上具有更高的稳定性，相对于传统人工操作也可以提高生产效率和保证产品质。同时在降低工作人员的劳动强度和减器少意外事故的发生率也有着举足轻重的意义^[1]。

1.1论文的研究背景

 复合材料作为一种诞生于上世纪30 年代的新型材料，第二次世界大战期间，玻璃钢材料首先被应用到德国的军工领域中。复合材料是指由于是有两种或两种以上的不同材料经过化学或物理方法合成的新材料，具有异于其他传统材料的优异性能，因此，其不仅在军工领域获得大范围使用，也通过各种不同方式大规模的融入到其他领域和行业。在此后，复合材料在美国、德国、前苏联及日本等国家迅速的发展起来。从70 年代后期，伴随人类科技的进步和工业技术的发展，高硅氧纤维、碳纤维、芳纶纤维等高性能纤维及其复合材料也应人类的需求先后得到开发和应用。尤其是进入21 世纪以后，全世界范围内复合材料贸易市场快速增长。截至到2016 年，仅中国大陆地区玻璃纤维纱年产量就达到362 万吨，占全球总产量的50%以上。在目前，随着发展绿色能源的呼声越来越高，使我国和全球范围内的风电行业快速发展，我国风电装机数量开始大规模增长，由此带来巨大的风叶生产需求量，使得复合材料模板生产产量也大幅增长。

当前，国内常用的风电叶片模具的制作，主要分为玻璃钢模具和金属模具两大类。其中，由于金属模具投入成本高，较适用于大批量固定尺寸叶片的连续生产，而玻璃钢模具投入成本低，生产较为灵活，因而复合材料类模板的应用相对较为广泛。根据叶片生产企业提供的信息，当前叶片的制作周期一般为2~4 天，一套模具的叶片年产能约为120 片。而玻璃钢叶片模具的使用寿命一般在400~600 次左右，使用年限在2~3 年左右。如此巨大的复合材料生产需求使更多企业对自动化生产产线的研发力度不断加大，自动化机械手也以新的面貌投入到这次生产改革当中。