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换刀机器人机械系统的设计

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换刀机器人机械系统的设计

摘要在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的自动化程度,机械手作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平,目前,机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作,工作方式一般采取示教再现的方式。本文将设计一台四自由度的机械手,主要的功用就是自动换刀。主要是实现加工中心自动换刀系统的设计。通过分析加工中心的整体结构和自动换刀系统的特点、应用条件,设计要求等,并结合在数控机床上对刀库和换刀机械手的需要能在数控程序的控制下灵活的实现换刀过程。刀库为立式单链式刀库。驱动装置采用电机液压驱动;设计的换刀机械手为回转式单臂双手机械手,手指采用弹簧销压紧式,驱动装置采用液压双作用缸。根据机械手和刀库位置的需要,设计机械手在机床上下移动装置,以实现多排刀架上的刀与主轴上的刀之间的交换。结合工厂实际,该自动换刀系统在数控的控制下能灵活的完成换刀程序,节省了时间、提高了效率、安全可靠。关键词机械手;加工中心;刀库;自动换刀ABSTRACTINTHEMODERNLARGESCALEMANUFACTURINGINDUSTRY,ENTERPRISESPAYMOREATTENTIONONTHEAUTOMATIONDEGREEOFTHEPRODUCTIONPROCESSINORDERTOENHANCETHEPRODUCTIONEFFICIENCY,ANDGUARANTEETHEPRODUCTQUALITYASANIMPORTANTPARTOFTHEAUTOMATIONPRODUCTIONLINE,INDUSTRIALROBOTSAREGRADUALLYAPPROVEDANDADOPTEDBYENTERPRISESTHETECHNIQUELEVELANDTHE,APPLICATIONDEGREEOFINDUSTRIALROBOTSREFLECTTHENATIONALLEVELOFTHEINDUSTRIALAUTOMATIONTOSOMEEXTENT,CURRENTLY,INDUSTRIALROBOTSMAINLYUNDERTAKETHEJOPSOFWELDING,SPRAYING,TRANSPORTINGANDSTOWINGETC,WHICHAREUSUALLYDONEREPEATEDLYANDTAKEHIGHWORKSTRENGTH,ANDMOSTOFTHESEROBOTSWORKINPLAYBACKWAYINTHISPAPERIWILLDESIGNANINDUSTRIALROBOTWITHFOURDOFS,WHICHISUSEDTOCARRYMATERIALFORAPUNCHTHESUBJECTISTODESIGNNUMERICALLYCONTROLLEDTOOLCHANGINGMANIPULATORANDNUMERICALLYCONTROLLEDTOOLMAGAZINEINTHISPROGRESS,THEPROJECTSYNTHESIZESTHECHARACTERISTICANDUTILITYCONDITIONOFNUMERICALLYCONTROLLEDTOOLCHANGINGMANIPULATORANDNUMERICALLYCONTROLLEDTOOLMAGAZINENUMERICALLYCONTROLLEDTOOLCHANGINGMANIPULATORADOPTSROTARYSINGLEARMANDSPRINGPINNUMERICALLYCONTROLLEDTOOLMAGAZINEADOPTSVERTICALTOOLMAGAZINEDRIVINGGEARUSESHYDRAULICCYLINDERINAWORD,THETOOLMAGAZINEANDTHEMANIPULATORCANDOEFFICIENTLYRELIABLYANDQUICKLYKEYWORDTOOLCHANGINGMANIPULATOR;MACHININGCENTER;TOOLMAGAZINE;AUTOMATICTOOLCHANGER目录摘要IABSTRACTII目录V1绪论111课题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求1111课题的意义1112课题的目的1113研究范围及要达到的技术要求112课题在国内外的发展概况及存在的问题2121国内的发展概况2122国外的发展概况3123存在的问题72换刀机器人总体设计921主要技术参数和外形尺寸9211主要技术参数9212外形尺寸922换刀机器人总体布局设计10221自动换刀机器人的组成及简单介绍10222自动换刀机器人的总体布局图1023换刀机器人自动换刀过程113换刀机器人手部设计1531手部的基本结构、组成部分和动作原理15311机械手的简介I312换刀机械手的结构、组成与动作原理1532手部装置的选择与计算18321手指的设计18322手臂油缸的设计与计算21第4章自动换刀机器人手部升降机构的设计2641自动换刀机器人手部升降机构的组成及动作原理2642滚珠丝杠及螺母副的设计与选用2743滚珠丝杠螺母副支撑方式及轴承的选择3144减速齿轮的设计3345减速齿轮轴的设计36451减速齿轮轴的设计36452减速齿轮轴的校核3746驱动液压泵电机的选择385结论与展望3951结论3952不足之处以及未来展望40致谢41参考文献421绪论11课题的意义、目的、研究范围及要达到的技术要求111课题的意义机械工业是国民的装备部,是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。不论是传统产业,还是新兴产业,都离不开各种各样的机械装备,机械工业所提供装备的性能、质量和成本,对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。因此,世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一1。工业机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。工业机械手的是工业机器人的一个重要分支。它的特点是可通过编程来完成各种预期的作业任务,在构造和性能上兼有人和机器各自的优点,尤其体现了人的智能和适应性。机械手作业的准确性和各种环境中完成作业的能力,在国民经济各领域有着广阔的发展前景。机械手是在机械化,自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。在现代生产过程中,机械手被广泛的运用于自动生产线中,机械人的研制和生产已成为高技术邻域内,迅速发殿起来的一门新兴的技术,它更加促进了机械手的发展,使得机械手能更好地实现与机械化和自动化的有机结合。机械手虽然目前还不如人手那样灵活,但它具有能不断重复工作和劳动,不知疲劳,不怕危险,抓举重物的力量比人手力大的特点,因此,机械手已受到许多部门的重视,并越来越广泛地得到了应用。在当今大规模制造业中,企业为提高生产效率,保障产品质量,普遍重视生产过程的自动化程度,机械手作为自动化生产线上的重要成员,逐渐被企业所认同并采用。机械手的技术水平和应用程度在一定程度上反映了一个国家工业自动化的水平,目前,机械手主要承担着焊接、喷涂、搬运以及堆垛等重复性并且劳动强度极大的工作,工作方式一般采取示教再现的方式。工业机器人延伸和扩大了人的手足和大脑功能,它可替代人从事危险、有害、有毒、低温和高热等恶劣环境中的工作;代替人完成繁重、单调的重复劳动,提高劳动生产率,保证产品质量。工业机器人与数控加工中心、自动搬运小车以及自动检测系统可组成柔性织造系统(FMS)和计算机集成制造系统(CIMS),实现生产自动化。所以从事工业机器人的研究具有非常重要的意义。112课题的目的通过毕业设计的锻炼,学会综合运用所学的知识和技能进行实际工程问题的分析、综合及设计。培养调查研究、中外文献检索与阅读的能力,掌握定性与定量相结合的独立研究与论证的能力;熟练掌握设计、计算及绘图的能力;锻炼文字与口头表达能力;掌握撰写设计说明书的,并且能设计出合乎实际要求的自动换刀机器人机械系统。113研究范围及要达到的技术要求用途在给定的程序指令下,配合刀库和卧式镗铣床(简称主机)实现所有加工工序的自动装、卸刀2。技术要求结构形式圆柱坐标;自由度数4;负载重量10KG(单爪);末端操作器双手爪;工作空间纵向0195M,横向018M,升降122M,旋转180;运行速度五档可调;最大运行速度纵向20M/MIN,横向16M/MIN,升降8M/MIN,旋转16RPM;重复定位精度06M;记忆刀位数不小于170把,可扩展;总重量≧600KG;12课题在国内外的发展概况及存在的问题121国内的发展概况工业机器人诞生于20世纪60年代,在20世纪90年代得到迅速发展,是最先产业化的机器人技术。它是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术,是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。它的出现是为了适应制造业规模化生产,解决单调、重复的体力劳动和提高生产质量而代替人工作业。在我国,工业机器人的真正使用到现在已经接近20多年了,已经基本实现了试验、引进到自主开发的转变,促进了我国制造业、勘探业等行业的发展。随着我国门户的逐渐开放,国内的工业机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击,因此,掌握国内工业机器人市场的实际情况,把握我国工业机器人研究的相关进展,显得十分重要。中国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展,工业机器人市场也已经成熟,应用上已经遍及各行各业,但进口机器人占了绝大多数。我国在某些关键技术上有所突破,但还缺乏整体核心技术的突破,具有中国知识产权的工业机器人则很少。目前我国机器人技术相当于国外发达国家20世纪80年代初的水平,特别是在制造工艺与装备方面,不能生产高精密、高速与高效的关键部件。我国目前取得较大进展的机器人技术有数控机床关键技术与装备、隧道掘进机器人相关技术、工程机械智能化机器人相关技术、装配自动化机器人相关技术。现已开发出金属焊接、喷涂、浇铸装配、搬运、包装、激光加工、检验、真空、自动导引车等的工业机器人产品,主要应用于汽车、摩托车、工程机械、家电等行业2。我国机器人技术主题发展的战略目标是根据2L世纪初我国国民经济对先进制造及自动化技术的需求,瞄准国际前沿高技术发展方向创新性地研究和开发工业机器人技术领域的基础技术、产品技术和系统技术。未来工业机器人技术发展的重点有第一,危险、恶劣环境作业机器人主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二,医用机器人主要有脑外科手术辅助机器人,遥控操作辅助正骨等;第三,仿生机器人主要有移动机器人,网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。图11和图12分别是中国新松机器自动化股份有限公司的轿车机器人焊接生产线和RH6弧焊机器人。图11轿车机器人图12弧焊机器人目前主要单位像中科院沈阳自动化所,原机械部的北京自动化所,像哈尔滨工业大学,北京航空航天大学,清华大学,还包括中科院北京自动化所等等的一些单位都做了非常重要的研究工作,也取得了很多的成果,而且目前这几年来看,我们国家在高校里边,有很多单位从事机器人研究,很多研究生和博士生都在从事机器人方面的研究,目前我们国家比较有代表性的研究,有工业机器人,水下机器人,空间机器人,核工业的机器人,都在国际上应该处于领先水平,总体上我们国家与发达国家相比,还存在很大的差距,主要表现在,我们国家在机器人的产业化方面,目前还没有固定的成熟的产品,但是在上述这些水下、空间、核工业,一些特殊机器人方面,我们取得了很多有特色的研究成就4。122国外的发展概况美国是机器人的诞生地,早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人,比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展,美国现已成为世界上的机器人强国之一,基础雄厚,技术先进。综观它的发展史,道路是曲折的,不平坦的。由于美国政府从60年代到70年代中的十几年期间,并没有把工业机器人列入重点发展项目,只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。对于企业来说,在只看到眼前利益,政府又无财政支持的情况下,宁愿错过良机,固守在使用刚性自动化装置上,也不愿冒着风险,去应用或制造机器人。加上,当时美国失业率高达6.65%,政府担心发展机器人会造成更多人失业,因此不予投资,也不组织研制机器人,这不能不说是美国政府的战略决策错误。70年代后期,美国政府和企业界虽有所重视,但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上,致使日本的工业机器人后来居上,并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国,产品在国际市场上形成了较强的竞争力。进入80年代之后,美国才感到形势紧迫,政府和企业界才对机器人真正重视起来,政策上也有所体现,一方面鼓励工业界发展和应用机器人,另一方面制订计划、提高投资,增加机器人的研究经费,把机器人看成美国再次工业化的特征,使美国的机器人迅速发展。80年代中后期,随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟,第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要,美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人,并很快占领了美国60%的机器人市场。尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究,忽视应用开发研究的曲折道路,但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进,适应性也很强。具体表现在(1)性能可靠,功能全面,精确度高;(2)机器人语言研究发展较快,语言类型多、应用广,水平高居世界之首;(3)智能技术发展快,其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用;(4)高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速,主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。早在1966年,美国UNIMATION公司的尤尼曼特机器人和AMF公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着,英国HALLAUTOMATION公司研制出自己的机器人RAMP。70年代初期,由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的LIGHTHALL报告,对工业机器人实行了限制发展的严厉措施,因而机器人工业一蹶不振,在西欧差不多居于末位。但是,国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到机器人技术的落后,导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是,从70年代末开始,英国政府转而采取支持态度,推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施,如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等,使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列,而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术,特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。法国机器人的发展比较顺利,主要原因是通过政府大力支持的研究计划,建立起一个完整的科学技术体系。即由政府组织一些机器人基础技术方面的研究项目,而由工业界支持开展应用和开发方面的工作,两者相辅相成,使机器人在法国企业界很快发展和普及德国工业机器人的总数占世界第三位,仅次于日本和美国。这里所说的德国,主要指的是原联邦德国。它比英国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此,是因为德国的机器人工业一起步,就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。因为战争,导致劳动力短缺,以及国民技术水平高,都是实现使用机器人的有利条件。到了70年代中后期,政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路;在改善劳动条件计划中规定,对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位,必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场,并推动了工业机器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族,他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则5。除了像大多数国家一样,将机器人主要应用在汽车工业之外,突出的一点是德国在纺织工业中用现代化生产技术改造原有企业,报废了旧机器,购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人,使纺织工业成本下降、质量提高,产品的花色品种更加适销对路。到1984年终于使这一被喻为快完蛋的行业重新振兴起来。与此同时,德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用,提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力,其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。图13和14是德国有名的机器人公司KUKA生产的机器人PRODUCTSFORINDUSTRIALSOLUTIONS,图13机器人加工内腔图14机器人总布局在前苏联(主要是在俄罗斯),从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。到了50年代后期开始了机器人样机的研究工作。1968年成功地试制出一台深水作业机器人。1971年研制出工厂用的万能机器人。早在前苏联第九个五年计划(1970年一1975年)开始时,就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。到1975年,已研制出30个型号的120台机器人,经过20年的努力,前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段,来安排机器人的研究制造;有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作,都由政府安排,有计划、按步骤地进行6。日本在60年代末正处于经济高度发展时期,年增长率达11%。第二次世界大战后,日本的劳动力本来就紧张,而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此,日本在1967年由川崎重工业公司从美国UNIMATION公司引进机器人及其技术,建立起生产车间,并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。正是由于日本当时劳动力显著不足,机器人在企业里受到了“救世主”般的欢迎。日本政府一方面在经济上采取了积极的扶植政策,鼓励发展和推广应用机器人,从而更进一步激发了企业家从事机器人产业的积极性。尤其是政府对中、小企业的一系列经济优惠政策,如由政府银行提供优惠的低息资金,鼓励集资成立“机器人长期租赁公司”,公司出资购入机器人后长期租给用户,使用者每月只需付较低廉的租金,大大减轻了企业购入机器人所需的资金负担;政府把由计算机控制的示教再现型机器人作为特别折扣优待产品,企业除享受新设备通常的40折扣优待外,还可再享受13%的价格补贴。另一方面,国家出资对小企业进行应用机器人的专门知识和技术指导等等。这一系列扶植政策,使日本机器人产业迅速发展起来,经过短短的十几年,到80年代中期,已一跃而为“机器人王国”,其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法“日本机器人的发展经过了60年代的摇篮期,70年代的实用期,到80年代进人普及提高期。”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”,开始在各个领域内广泛推广使用机器人。日本政府和企业充分信任机器人,大胆使用机器人。机器人也没有辜负人们的期望,它在解决劳动力不足、提高生产率、改进产品质量和降低生产成本方面,发挥着越来越显著的作用,成为日本保持经济增长速度和产品竞争能力的一支不可缺少的队伍。日本在汽车、电子行业大量使用机器人生产,使日本汽车及电子产品产量猛增,质量日益提高,而制造成本则大为降低。从而使日本生产的汽车能够以价廉的绝对优势进军号称“汽车王国”的美国市场,并且向机器人诞生国出口日本产的实用型机器人。此时,日本价廉物美的家用电器产品也充斥了美国市场这使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用机器人,增大了国力,获得了巨大的好处,迫使美、英、法等许多国家不得不采取措施,奋起直追7。图15是日本川崎公司后期的比较成熟的机器人产品,图16是日本安川机电公司比较成熟的机器人产品。图15日本川崎机器人图16日本安川机器人国外机器人领域发展近几年有如下几个趋势(1)工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修),而单机价格不断下降,平均单机价格从91年的10.3万美元降至97年的6.5万美元。(2)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;国外已有模块化装配机器人产品问市。(3)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、易操性和可维修性。(4)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环境建模及决策控制;多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。(5)虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制,如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。(6)当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。(7)机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来,这种新型装置已成为国际研究的热点之一,纷纷探索开拓其实际应用的领域。123存在的问题据专家介绍,我国工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定距离,如可靠性还较低;机器人应用工程起步较晚,应用领域窄;生产线系统技术与国外比有差距;在应用规模上,我国已安装的国产工业机器人,只占全球已安装台数的4‰左右。有关专家认为,产生以上差距的主要原因,是我国还没有形成机器人产业,当前机器人生产都是应用户的要求,面对单一客户一次设计形成的,存在品种规格多、批量小、零部件通用化程度低、供货周期长、成本较高,而且质量、可靠性不稳定等问题。因此迫切需要解决产业化前期的关键技术,对产品进行全面规划,搞好系列化、通用化、模化设计,积极推进产业化进程。据专家介绍,我国制造行业和关键工序大部分仍然沿用传统的生产方式,有的仅是局部更新,这种情况严重制约了相关行业的发展。由于我们还不能自主设计和生产先进的大型自动化成套装备,更形不成整体配套能力,于是目前只能几乎全部依赖进口,产品被国外公司所垄断,由此严重制约了制造业的健康发展。工业机器人市场竞争越来越激烈,中国制造业面临着与国际接轨、参与国际分工的巨大挑战,加快工业机器人技术的研究开发与生产是我们抓住这个历史机遇的主要途径。因此我国工业机器人行业要认识到以下几点情况第一,工业机器人技术是我国由制造大国向制造强国转变的主要手段和途径,政府要对国产工业机器人有更多的政策与经济支持,参考国外先进经验,加大技术投入与改造;第二,在国家的科技发展计划中,应该继续对智能机器人研究开发与应用给予大力支持,形成产品和自动化制造装备同步协调的新局面;第三,部分国产工业机器人已经与国外相当,企业采购工业机器人时不要盲目进口,应该综合评估,立足国产。2换刀机器人总体设计21主要技术参数和外形尺寸211主要技术参数⑴用途在给定的程序指令下,配合刀库和卧式镗铣床(简称主机)实现所有加工工序的自动装、卸刀。⑵技术参数结构形式圆柱坐标;自由度数4;负载重量10KG(单爪);末端操作器双手爪;手架运动参数拔、插刀行程(滑座伸缩Z)155MM最大180MM升降行程(找刀排Y)3X420MM(刀排间垂直方向距离为420MM,共四排)回转角度(Φ)180装、卸刀手手臂伸缩行程(X)195MM手指夹持刀柄的直径Ф100MM;位置检测与定位方式滑座伸缩、手架回转和装、卸刀手手臂伸缩运动采用行程开关进行位置检测,有挡块(或活塞与端盖)定位。手架升降运动采用无触点行程开关进行位置检测,并控制三位四通阀适时“关闭”来定位缓冲方式滑座伸缩、装卸刀手手臂伸缩运动采用油缸端部节流缓冲;手架回转运动采用换接不同尺寸的出油口增加背压减速缓冲;手架升降

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