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数控车床上下工件机械手设计【毕业作品】【答辩通过】

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数控车床上下工件机械手设计【毕业作品】【答辩通过】

摘要   本设计是数控车床上下工件机械手的设计,包括总体方案的确定,机械结构的设计以及重要部件的设计。随着现代工业的发展和竞争的加剧,对加工效率提出了新的要求,数控车床工件装卸自动化就成为当前制造厂家对机床的重要需求之一。为了满足用户的需求,当前中国的机床制造厂开始在部分数控车床上配置工件自动上下料机械手。但如果采用伺服电机驱动和控制其成本高、结构复杂、速度慢、工作效率较低如果采用液压驱动,其泄漏对数控要求的清洁环境造成一定的副面影响。随着气动技术的不断发展,气体驱动也能成为机械手的驱动力量,其成本底,结构简单,工作效率高,清洁,再加上PLC控制系统实现机电气一体化控制。   本设计主要设计用低成本、高速的气缸来组成模块化的气动机械手,实现数控车床工件自动装卸,克服伺服电机应用中存在的高成本和低效率的局限。论文完成的主要设计工作包括以下几个方面1设计了模块化气动装卸机械手的总体结构;2研究了大跨度气缸的固定支撑形式;3研究了水平运动气缸的防侧翻技术;4研究并实现了气缸输出杆高精度柔性调节技术5初步设计了气动控制回路和PLC控制系统。      关键词机械手自动化上下料气体驱动      Abstract   Thisdesignisthenumericalcontrollatheworkpiecemanipulatordesign,includingthedeterminationofoverallscheme,designofmechanicalstructuredesignandimportantparts.Alongwiththedevelopmentofmodernindustryandthecompetitionputforwardnewrequirementstoprocessingefficiency,numericalcontrollatheworkpieceloadingandunloadingautomationbecomesthecurrentmanufacturersoneoftheimportantrequirementsformachinetools.Inordertomeettheneedsofusers,thecurrentChinasmachinetoolmanufacturersbeganonthepartofnumericalcontrollatheautomaticupdownmaterialmanipulatorconfigurationartifacts.But,iftheservomotordriveandcontrolitshighcost,complexstructure,slowspeed,theefficiencyislow;Ifadoptshydraulicdrive,theleakontheCNCrequirementsofcleanenvironmentcertainsideeffects.Withthecontinuousdevelopmentofpneumatictechnology,gasdrivealsocanbecomeadrivingforceofthemanipulator,endofthecost,simplestructure,highefficiency,clean,coupledwiththePLCcontrolsystemtorealizeintegrationofmechanicalandelectricalgascontrol.   Thisdesignismainlydesignwithlowcost,highspeedofthecylindertoformamodularpneumaticmanipulator,andimplementnumericalcontrollatheautomaticloadingandunloadingofworkpiece,overcomeexistingintheapplicationofservomotorlimitationsofhighcostandlowefficiency.Thethesiscompletedthemaindesignworkincludesthefollowingseveralaspects1theoverallstructureofthedesignofmodularpneumaticloadingandunloadingmanipulator;2studythelongspancylinderfixedsupportform;3studiesthetechniqueofsidefliphorizontalmotioncylinder;4theresearchoutputandimplementsthecylinderrod5highprecisionflexibleadjustmenttechnologypneumaticcontrolloopandPLCcontrolsystemisdesigned.   Keywordsmanipulator;automation;updownmaterial;gasdrive目录摘要IVAbstractV目录................................................................................................................................................................VI1绪论11.1前言和意义11.2工业机械手的简史11.3国内外研究现象和趋势21.4设计原则32数控车床上下工件机械手的总体设计42.1技术要求42.2机械手总体设计42.2.1执行机构的选择42.2.2驱动机构的选择52.2.3传动结构的选择52.2.4机械手的基本形式选择72.2.5机械手直臂部分的主要部件及运动82.2.6机械手的技术参数83各模块的设计103.1机械手手部模块的设计103.1.1手部设计基本要求103.1.2典型的手部结构103.1.3机械手手爪的设计计算103.2机械手腕部模块的设计143.2.1腕部设计的基本要求143.2.2腕部的结构以及选择143.2.3腕部的设计计算153.3机械手手臂模块的设计163.3.1手臂的结构的选择及其驱动机构163.3.2滚珠丝杠设计163.3.3锥齿轮及锥齿轮轴的设计183.3.5电机选型214直臂导杆气缸的设计224.1气缸体的设计224.1.1预选气缸的缸径224.1.2预选气缸的行程224.1.3气缸的类型选择234.1.4活塞杆直径d的计算234.1.5气缸筒壁厚的计算234.1.6气缸输出拉力的校核244.1.7耗气量的计算244.2导杆机构的设计256结论与展望27致谢28参考文献291绪论1.1前言和意义机械手是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置,它是在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。机械手能代替人类完成危险、重复枯燥的工作,减轻人类劳动强度,提高劳动生产力。机械手越来越广泛的得到了应用,在机械行业中它可用于零部件组装,加工工件的搬运、装卸,特别是在自动化数控机床、组合机床上使用更普遍。它适应于中、小批量生产,可以节省庞大的工件输送装置,结构紧凑,而且适应性很强。目前我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离,应用规模和产业化水平低,机械手的研究和开发直接影响到我国自动化生产水平的提高,从经济上、技术上考虑都是十分必要的。因此,进行机械手的研究设计是非常有意义的。目前,在国内很多工厂的生产线上数控机床装卸工件仍由人工完成,劳动强度大、生产效率低。为了提高生产加工的工作效率,降低成本,并使生产线发展成为柔性制造系统,适应现代自动化大生产,针对具体生产工艺,利用机器人技术,设计用一台装卸机械手代替人工工作,以提高劳动生产率。通过对机械设计制造及其自动化专业大学本科四年的所学知识进行整合,完成一个特定功能、特殊要求的上下料机械手的设计,能够比较好地体现机械设计制造及其自动化专业毕业生的理论研究水平,实践动手能力以及专业精神和态度,具有较强的针对性和明确的实施目标,能够实现理论和实践的有机结合。本机械手主要与数控车床(数控铣床,加工中心等)组合最终形成生产线,实现加工过程(上料、加工、下料)的自动化、无人化。目前,我国的制造业正在迅速发展,越来越多的资金流向制造业,越来越多的厂商加入到制造业。本设计能够应用到加工工厂车间,满足数控机床以及加工中心的加工过程安装、卸载加工工件的要求,从而减轻工人劳动强度,节约加工辅助时间,提高生产效率和生产力。1.2工业机械手的简史现代工业机械手起源于20世纪50年代初,具有多自由度动作功能的柔性自动化产品。机械手首先是从美国开始研制的。1958年美国联合控制公司研制出第一台机械手。他的结构是机体上安装一回转长臂,端部装有电磁铁的工件抓放机构。1962年,美国机械铸造公司在上述方案的基础之上又试制成一台数控示教再现型机械手。商名为Unimate即万能自动。运动系统仿造坦克炮塔,臂回转、俯仰,用液压驱动控制系统用磁鼓最存储装置。不少球坐标式通用机械手就是在这个基础上发展起来的。同年该公司和普鲁曼公司合并成立万能自动公司(Unimaton),专门生产工业机械手。1962年美国机械铸造公司也试验成功一种叫Versatran机械手,原意是灵活搬运。该机械手的中央立柱可以回转,臂可以回转、升降、伸缩、采用液压驱动,控制系统也是示教再现型。虽然这两种机械手出现在六十年代初,但都是国外工业机械手发展的基础。1978年美国Unimate公司和斯坦福大学、麻省理工学院联合研制一种UnimateVicarm型工业机械手,装有小型电子计算机进行控制,用于装配作业,定位误差可小于±1毫米。美国还十分注意提高机械手的可靠性,改进结构,降低成本。如Unimate公司建立了8年机械手试验台,进行各种性能的试验。准备把故障前平均时间(注故障前平均时间是指一台设备可靠性的一种量度。它给出在第一次故障前的平均运行时间),由400小时提高到1500小时,精度可提高到±0.1毫米。德国机器制造业是从1970年开始应用机械手,主要用于起重运输、焊接和设备的上下料等作业。德国KnKa公司还生产一种点焊机械手,采用关节式结构和程序控制。瑞士RETAB公司生产一种涂漆机械手,采用示教方法编制程序。瑞典安莎公司采用机械手清理铸铝齿轮箱毛刺等。日本是工业机械手发展最快、应用最多的国家。自1969年从美国引进二种典型机械手后,大力研究机械手的研究。据报道,1979年从事机械手的研究工作的大专院校、研究单位多达50多个。1976年个大学和国家研究部门用在机械手的研究费用42。1979年日本机械手的产值达443亿日元,产量为14535台。其中固定程序和可变程序约占一半,达222亿日元,是1978年的二倍。具有记忆功能的机械手产值约为67亿日元,比1978年增长50。智能机械手约为17亿日元,为1978年的6倍。截止1979年,机械手累计产量达56900台。在数量上已占世界首位,约占70,并以每年50~60的速度增长。使用机械手最多的是汽车工业,其次是电机、电器。预计到1990年将有55万机器人在工作。第二代机械手正在加紧研制。它设有微型电子计算机控制系统,具有视觉、触觉能力,甚至听、想的能力。研究安装各种传感器,把感觉到的信息反馈,使机械手具有感觉机能。目前国外已经出现了触觉和视觉机械手。第三代机械手(机械人)则能独立地完成工作过程中的任务。它与电子计算机和电视设备保持联系。并逐步发展成为柔性制造系统FMSFlexibleManufacturingsystem和柔性制造单元FlexibleManufacturingCell中重要一环。随着工业机器手(机械人)研究制造和应用的扩大,国际性学术交流活动十分活跃,欧美各国和其他国家学术交流活动开展很多。1.3国内外研究现象和趋势目前,在国内外各种机器人和机械手的研究成为科研的热点,其研究的现状和大体趋势如下(1)机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机。(2)工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。(3)机器人中的传感器作用日益重要,除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外,装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器,而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行决策控制多传感器融合配置技术成为智能化机器人的关键技术。(5)关节式、侧喷式、顶喷式、龙门式喷涂机器人产品标准化、通用化、模块化、系列化设计柔性仿形喷涂机器人开发,柔性仿形复合机构开发,仿形伺服轴轨迹规划研究,控制系统开发(6)焊接、搬运、装配、切割等作业的工业机器人产品的标准化、通用化、模块化、系列化研究以及离线示教编程和系统动态仿真。总的来说,大体是两个方向其一是机器人的智能化,多传感器、多控制器,先进的控制算法,复杂的机电控制系统其二是与生产加工相联系,满足相对具体的任务的工业机器人,主要采用性价比高的模块,在满足工作要求的基础上,追求系统的经济、简洁、可靠,大量采用工业控制器,市场化、模块化的元件。1.4设计原则在设计之前,必须要有一个指导原则。这次毕业设计的设计原则是以任务书所要求的具体设计要求为根本设计目标,充分考虑机械手工作的环境和工艺流程的具体要求。在满足工艺要求的基础上,尽可能的使结构简练,尽可能采用标准化、模块化的通用元配件,以降低成本,同时提高可靠性。本着科学经济和满足生产要求的设计原则,同时也考虑本次设计是毕业设计的特点,将大学期间所学的知识,如机械设计、机械原理、液压、气动、电气传动及控制、传感器、可编程控制器(PLC)、电子技术、自动控制、机械系统仿真等知识尽可能多的综合运用到设计中,使得经过本次设计对大学阶段的知识得到巩固和强化,同时也考虑个人能力水平和时间的客观实际,充分发挥个人能动性,脚踏实地,实事求是的做好本次设计。

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