前 言
1
第一章 绪论 2
1.1 机械手发展现状 2
1.2 机械手设计材料选择 3
第二章 自动化切割机机械手设计 5
2.1 机械手设计方案 5
2.1.1 二自由度机械手设计 5
2.1.2 回转机械手方设计 6
2.1.3 双关节机械手设计 8
2.2 悬臂回转驱动电机选型 9
第三章 切割机悬臂的机械设计 12
3.1切割机机械旋转轴的材料 12
3.2 切割机悬臂旋转轴的结构设计 13
第四章 结论 15
参考文献 16
自动化切割机机械手臂因为其工作的复杂性，所以必须具备较强的刚度、硬度和稳定性能等，自动化切割机在运转时，也应该避免发生卡死等现象，这就要求自动化切割机机械手臂的机械结构必须设计成灵活安全，另外，在进行机械设计之初就要为各种类型的电源线以及各种信号线的布局和连接预留出合理充足的空间。
2.1 机械手设计方案
PLC自动化切割机切割头机械手方案时，首先要符合进行切割型钢作业标准的姿态要求; 其次是机械设计结构应该尽可能简单，这样有利于自动化切割机的批量生产; 然后是自动化切割机的自动化控制单元也应该便于二次设计。正常情况下，如果机械结构设计简单，那么在自动化控制系统方面就要复杂，因此在自动化切割机设计方案时要多角度综合考虑，研究设计出真正符合实际工作需求的自动化切割机［5］。关于自动化切割机机械手臂方案的设计法案有三种。
2.1.1 二自由度机械手设计
二自由度自动化切割机机械手设计如图2.1所示，此方案的设计的机械手臂工作结构比较简单，可是对于焊接割枪的标准姿态模仿不够精准，尤其是当二自由度自动化切割机需要改变姿势时，二自由度自动化切割机的焊接割枪定位不准确，立体空间坐标失真，同时还特别很容易导致配合的压缩空气管和信号电源线的缠绕。合理的机械设计方案不仅能够满足标准的切割功能，还应该尽最大可能的减少制造成本，让自动化切割机产品在市场竞争中具有价格优势，但是这种设计方案仅仅满足了结构设计简单，这种方案的控制系统不便于二次开发设计，所以不符合实践制造生产。
图2.1 二自由度自动化切割机机械手
2.1.2 回转机械手方设计
根据机械设计原理，回转机械手的工作原理是依靠无限回转加上平行四边形机械机构特点设计的。自动化切割机无限回转设计方案在进行型钢坡口焊接和切割时，必须进行转动，这样才能保证型钢在对焊口时不同面的焊接与切割，所以，就要依靠平行四边形机械特点来解决这个问题，从而实现不用转动被加工的型钢就能够做出各种方位的焊接和切割。这个设计方案是根据回转机械关节来确定焊接割枪在任意的水平面内的指向，另外，平行四边形机械结构能够确定在垂直平面内焊接割枪的360°指向，结合二者设计出自动化型钢切割机［6］，叠加两个旋转结构就能够控制型钢坡口的焊接和切割，实现无限焊接和切割的要求如图2.2所示。
图2.2 无限回转焊接和切割的设计图
但是方案二如图2.2所示的设计结构，虽然可以有效避免了精度失真性的问题，同时也非常符合对型钢焊接切割角度的设计要求，但是这种设计结构对自动化切割机整体精度的设计要求极高，设计的旋转手杆件的刚性低，耐冲击能力差，同时二次调整技术性高，生产制造的加工成本也比较高，综合来看这种设计方案也不太适合于自动化切割机设计运用。
2.1.3 双关节机械手设计
在PLC机械设计中经常用到的双关节机械手结构如图2.3所示，这种机械设计方案利用十字交叉方式将双关节组合起来进而实现焊接和割枪的任意姿态和变位需求，这种设计方案的设计机械结构比较简单，连接基座和Z轴板上的连接臂相连，焊接和割枪可以牢固固定在专门设计的夹枪器上，让机械手大小悬臂分别转向相应的旋转和回转方向运动，这种设计每个部位之间能够紧密连接，工作关节中间无过多空隙，这在一定程度上减少了机械工作传递误差。
图2.3 双关节机械手设计图
对于自动化切割机切割头机械手臂的设计，第一重点要考虑的是机械设计结构要最大可能地实现简易，自动化控制单元系统也应该满足编程简单和维修方便，在进行批量生产制造时要降低材料成本，从上述三种设计方案中能够看出: 第一种设计方案虽然机械设计结构简单，但是自动化控制系统难度系数较大，不便于非专业人员修改参数和二次开发设计，并且设计制造周期过长，设计制造的成本过高; 第二种方案整个机械设计机构工作空间比较大，充分利用了平行四边形机械结构，组成构件也比较多，各个部位之间的组合间隙难于精准控制，同时机械设计构件的结构刚性和强度较低，切割机机械手的工作杆件的抗冲击能力不足，在进行切割和焊接的时候不容易保证工作精度; 第三种设计方案机械结构比较简单，PLC机械设计组合的结构稳定性更好，各个机械部件之间的组合误差比较小，焊接和割枪的旋转面能够始终保持平稳运行和精度要求，可以始终指向工作进行过程中旋转轴，这就使得自动化控制系统也相对比较容易开发。综合考虑分析和研究后，本次设计方案选择第三种方案，即采用双关节机械手臂方式设计方式。
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