1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1 课题研究背景和意义

在整个生产体系中，机械装配在产品成形中起到至关重要的一步，装配质量的好坏将直接导致产品的质量和生产线的生产效率，自动化装配是机械制造过程中的核心环节，产品装配效率的高低对实际的生产加工起到至关重要的影响，进而直接对企业的经济效益发展产生深远影响，先进的机械生产方式是提升产业生产效率，降低生产成本的关键可控因素。而传统人工装配模式采用人工对零件进行装配，生产质量参差不齐，消耗的装配时间也比较多，人工成本日趋增加，在面对工艺方案调整上需要对工作人员进行重新的考核和培训，大大增加了培育成熟生产线的成本，面对因工艺提高和工序分散所造成的低工作模式和高精度要求，传统装配方式难以应对快速发展趋势带来的变化，与传统的手工装配相比较，自动化的生产装配技术在生产过程中更具有安全效益，可以有效的避免产生安全事故，保证工作人员的生命健康安全。随着整个社会机械行业的发展，机械化自动装配技术的精度也逐渐得到提高，产品质量也得到了巨大的保障，产品质量有了稳定性和一致性，减少了传统装配方式带来的质量参差不齐，在应对产品款速的更新换代和工艺方案的改进过程中，只需要对机器进行模块化的调配以及程序上的修改即可完成整个生产线的工艺调整，对实际生产有着巨大的效益。因此，整个社会的企业目光逐渐关注机械自动化带来的效益，该课题从机械设计制造自动化的角度出发，通过气电组合工件自动搬运机器手系统设计，对于传统工艺的变革，实现小型化工业发展替代传统的人工生产方式，提高产业的自动化水平和工业效率有着重要的意义。

1.2 国内外研究现状

工业机器手是在顺应工业现代化发展要求，在自动化技术和机械技术基础上发展起来的一种高技术自动化生产设备，机器手是机器人的一个重要的领域，搬运机器手是自动化机器手中的一大重要的分支，在构造和运动性能上而言，搬运机器手兼有劳动工人和机器的各自优点，机械手主要由臂架机构和夹持机构两大部分组成，臂架机构负责空间的移动和姿态的调整，而夹持机构可以根据对象选择不同的末端执行器，常见的有夹持、吸附、托举等类型，通过固定的程序抓取搬运物件。工业机器手最早运用于二十世纪50年代的美国，早在原子能实验中就采用机器手搬运具有放射性的核燃料，操作机器手的工作人员则站在相对安全的地方，工业机械手主要采用电能、气动、液动三种运动能源，在不同的领域所要求使用的能源也不一样，例如在具有超洁净的领域往往使用气动作为其能源，在要求重载荷启动的地方需要采用液动或者气液组合。在现代机械生产过程中，随着科技的发展，plc等相关编程技术的问世，机器手也逐渐广泛的运用于社会生产的各个行业各个部门，已经成为机械制造产业中不可或缺的重要机器设备，尤其是在高温高污染、劳动强度大、对机械化精度要求较高的环境中，往往能够创造良好的安全效益和生产效益。

国外研究发展现状

2. 研究的基本内容与方案

1.3 论文的研究内容和目标

1.3.1 研究内容

本课题所研究的基本内容包括：

（1）掌握气电组合搬运机器手运动学、动力学及控制相关基础知识，会使用三维软件进行机械产品的三维造型设计；

（2）建立搬运机器手机构模型，对机器手进行设计计算选型，最终建立起完整的自动化装配搬运设计方案；

（3）完成气动搬运机器手的控制系统设计，编写程序；

（4）分析所设计的组合搬运机器手的经济效益和产业优势；

1.3.2 研究目标

本课题将通过现代自动化生产发展趋势，拟设计气电组合自动搬运生产线模拟气电自动化装配生产流程，选择气动元件和电控元件研究生产工作流程，力求深入挖掘气电技术的核心优势和应用效益。

最终通过设计的轴承自动组装方案，并通过相关的计算选型和三维软件模拟气电组合系统的运行过程验证其可行性，验证气电组合系统在车间的产品质量和经济效益。

第2章 气电组合搬运机器手的方案分析

2.1 装配生产的工况分析

2.1.1机器手分类

工业机器手主要由驱动模块、执行模块、控制模块和反馈系统组成，各个部分的关系如图所示：

机器手是一种模仿人的上肢工作，按照一定的既定程序运行，完成特定目的一种现代化工业发展的产物，对推动工业生产有巨大的作用。长期的实践证明，工业机器手的出现可以替代传统的人手劳作，改善工作条件和产品质量，并在航空航天领域、工业生产领域、医疗卫生领域、电子产品领域、仓储物流领域、开采搬运领域都有着广泛的应用，当前工业机器手的种类很多，通常按照通常可按驱动方式、搬运重量、坐标型式、控制方法和运动轨迹等来分类。对于气电组合搬运机器手在工业中的运用一般按照坐标形式分为以下几种。

（1）直角坐标式机器手

以直角坐标系为原型，通过三个驱动模块完成平行移动、垂直移动和前后移动，工作区域多为一个长方体，这种直角坐标机器手占据的空间大而工作范围小，在空间移动定位较为方便精确，惯性略大，制造成本低。

（2）柱面坐标式机器手

末端在移动过程分为上下移动、水平回转运动以及沿着径向方向的伸缩运动，空间解析过程简单，由于结构原因，其空间运动过程中不能向上伸出运动，这种机器手在工业搬运当中运用也比较广泛。

（3）极坐标式机器手

手臂运行过程参考球面坐标，手臂分为上下俯仰、伸缩运动和回转摆动。其最大的特点是结构紧凑，在空间中占据的体积小，相比于直角坐标式机器手而言工作范围较大，精度小，刚度差。

（4）多关节式机器手

其手臂分为大臂和小臂两个部分，大臂与小臂之间由肘关节连接，大臂与立柱之间由肩关节连接，在末端则有腕部关节和末端执行机构，这样组成的多关节机器手可以完成很多类似于人手臂的动作，空间自由度较高，动作灵活方便可靠，可以在空间中绕过特定的障碍，需要计算机进行辅助控制，既可以完成既定的编写程序也可以进行灵活的适应环境变换，但在结构刚度和精度上较差，不适合高精度工作。

2.2 方案设计

2.2.1工况要求

除具体加工设备外，要求具体的工件尺寸参数和功能如下：

（1）轴承直径内径20 mm，外径50mm，高20mm，单件重量为＜0.2Kg，工件材料为轴承钢。

（2）芯轴内径10 mm，外径20 mm，高20mm，单件重量为＜0.1Kg，工件材料为Q35钢。

（3）工件传送和装配工作台面距地面高度为700mm。每种工件分两层整齐码放到对应工件的包装箱内，包装箱中共12个工件。

（4）各模块要求有序拾取放置物件，整个动作过程要实现全自动控制，各机构的结构形式及系统布置均可自行设计。PLC控制系统能实现各模块动作明确到位、协调有序。

2.2.2工作流程

机器通过启动开关启动完成，上料机器手开始启动，上料机器手是整个系统正常运行的前提，作用是将四种不同的工件有序地摆放到装配线上，即选取处在对应送料线上的工件，放置到装配线指定位置上。放置完毕，上料机器手停止工作，启动装配机器手，装配机器手移动到对应工件的轴芯上方，选取对应工件的芯轴，夹紧后移动到对应工件轴孔上方，通过推进气缸下降挤压，准确装配到对应工件轴孔处，装配机器手完成作业后，传送带将装配好的工件运送到对应的下料包装机器手处，下料包装机器手感应到工件的到来，移动机器手，拾取装配好的工件移动至码放区域，通过调整包装盒平台，将装配好的工件整齐码放到对应的包装箱中，整个装配过程到此结束。

2.2.3驱动方式

机械手的驱动方式多种多样，常见的驱动方式有气压传动、机械传动、电气传动、液压传动等。各种传动方式运用的领域和场合也不尽相同，需要考虑到运用对象的力矩大小、响应时间、清洁要求、价格、安全性等因素来选择合适的驱动方式。

传统的机器手的驱动方式和定位基准都是依靠电驱动和伺服电机来进行定位，这种定位方式精度较高，易于控制，但是制造成本和工艺要求较高，对于低精度产品而言生产过程中的性价比低，难以接受。气动机器手的出现与发展是建立在传统的工业机器手成果之上，虽然气动机器手的精度比电动机器手低，但是气动机器手有着无可比拟的模块化优势，只需要选取或设计合适的末端执行器即可完成工况作业需求，气压驱动和电气驱动相比于其他传动方式而言，洁净度高无污染，价格适中，模块化设计结构简单，组成方案灵活多变，体积小重量轻功耗低，随着现代工业发展的不断深入，气动技术也不断的经受住生产实际的考核，得到制造行业的认可，考虑到系统中机器手移动定点较多，本设计方案采用气电组合的驱动方式。

2.2.3机器手设计分析

1）机器手设计要求

机器手用来准确抓取轴承和轴芯，考虑到工件的尺寸大小、工件外形、材料性质以及装配要求，设计时有如下要求：

（1）具有合适的抓取方式保证圆形工件不脱落；

（2）应当具有合适的抓紧力和驱动力；

（3）保证抓取工件时不损伤工件芯轴；

（4）抓取过程中保证一定的抓取精度以完成装配；

（5）要求结构紧凑，价格低廉，尽可能采用标准件；

（6）结构简单，使用寿命长；

2）机器手定位分析

机械手的定位方式主要可分为机械挡块定位、气压定位、传感器定位。工业用机械手常用的定位方式主要是机械挡块定位。机械挡块定位是在行程终点设置机械挡块，当机械手经减速运行到终点时，紧靠挡块而定位。若定位前已减速，定位时驱动压力未撤除，在这种情况下，机械挡块定位能达到较高的重复精度。一般可高于±0.5mm，若定位时关闭驱动油路而去掉工作压力，这时机械手可能被挡块碰回一个微小距离，因而定位精度变低。气压传动机械手是以空气为主要动力源，通过气压装置来驱动机械手运动的。其优点是：结构简单，动作迅速，成本低，动力源环保无污染。缺点是：定位冲击大，速度稳定性差，抓取力小。因此适用于高速度、小负载的场合。

第3章 气电元件的计算与选型

3.1 上料机器手设计

是整个系统的正常运转的前提，作用为将4种不同工件有序地摆放到装配线上。上料机器手的运动可分解为竖直下降、竖直上升、水平移动、前后运动，考虑到上料机器手的工作特点，前后的移动可采用气动的定点移动。即其工作过程中的自由度分为X轴的水平移动、Y轴的上升下降、Z轴的前后移动，上料机器手工作流程如图所示，采用直角坐标式机器手设计。

3.2 装配机器手设计

作用为选取对应工件的芯轴准确装配到对应的工件上。装配机器手主要有抓取、上升下降、推出压缩、回转运动，即其有三个自由度：Z轴方向的（正向回转、反向回转）、X方向的移动（伸出、缩回）、Y轴方向的移动（上升移动、下降压缩）。经过手臂下降抓取到指定轴芯工件，上升移动，然后回转运动到指定的轴承上方，小臂经过气缸作用下降压缩，完成一次装配。因此采用柱坐标式机器手来实现空间上的抓取和装配。

3.3 下料包装机器手设计

作用为拾取装配好的工件整齐码放到对应工件的包装箱中。包装方式可分为机器手移动，将装配好的工件整齐摆放到包装箱中，或采用机器手与包装箱联动，即减少包装箱的自由度，摆放过程中通过移动包装盒进行码放，这样可以大大减少机器手的工作量，减少机器手的磨损。因此下料包装机器手的自由度只需要两个自由度：X轴方向自由度（伸出和缩回）、Y轴方向的自由度（上升与下降）。

3.4 控制系统回路设计

3.4.1气动驱动回路设计

包括气动元件的回路设计，绘制气动原理图，通过模拟回路逻辑关系验证气电组合系统的可行性。

3.4.2气动控制系统设计

可编程控制器（plc）是一种逻辑运算的电子系统，为专业的工业环境而设计的可编程储存器，通过预先编写好的程序，进行定时、计数等逻辑运算，对生产设备进行驱动和控制，其可靠性高，抗干扰能力强，硬件配套齐全，功能完善，适应性强，易学易用。

本课题拟定采用可编程控制器（plc）对气电组合搬运系统进行控制，选取特定的可编程控制器型号，根据搬运系统编写plc程序，绘制出程序流程图。

3. 研究计划与安排

1-2周 收集资料进行整体方案设计；

3-4周 完成开题报告和英文文献翻译；

5-7周 设计并绘制气（电）系统原理图；

4. 参考文献（12篇以上）

阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年外文文献不少于3篇）

[1]彭淑红.试论机械设计制造及其自动化特点和优势[j].山东工业技术,2019(05):52.

[2]李慧,刘占伟,孟永茂,郝占胜.消费类电子产品生产线智能装配自动机器人的分析与研究[j].山东工业技术,2018(20):159-160.